Física. Electricidad y magnetismo

'ÓTJDB

&MFDUSJDJEBE Z NBHOFUJTNP %²$*." &%*$*»/

6(5:$< _ -(:(77

Física

Electricidad y magnetismo DÉCIMA EDICIÓN

Raymond A. Serway Emeritus, James Madison University

John W. Jewett, Jr. Emeritus, California State Polytechnic University, Pomona Con las contribuciones de Vahé Peroomian, University of Southern California Traducción Ana Elizabeth García Hernández Revisión técnica Hortencia Caballero López Universidad Nacional Autónoma de México

Australia • Brasil • Estados Unidos • México • Reino Unido • Singapur

Física. Electricidad y magnetismo Décima edición Raymond A. Serway John W. Jewett, Jr. Director Higher Education Latinoamérica: Renzo Casapía Valencia Gerente editorial Latinoamérica: Jesús Mares Chacón Editores: Pablo Miguel Guerrero Rosas y Karen Estrada Arriaga Coordinador de manufactura: Rafael Pérez González Diseño de portada: Edgar Maldonado Hernández Imagen de portada: ©Fotazdymak/Shutterstock.com Composición tipográfica:

By Color Soluciones Gráficas

© D.R. 2019 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Carretera México-Toluca núm. 5420, oficina 2301.

Col. El Yaqui. Del. Cuajimalpa. C.P. 05320.

Ciudad de México.

Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso.

DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial.

Traducido del libro: Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics Volume 2, Tenth Edition Raymond A. Serway, John W. Jewett, Jr © 2019 ISBN: 978-1-337-55358-2 Datos para catalogación bibliográfica: Serway, Raymond A. y Jewett, John W. Física. Electricidad y magnetismo, Décima edición ISBN: 978-607-526-709-8 Visite nuestro sitio web en: http://latinoamerica.cengage.com

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 22 21 20 19

Dedicamos este libro a nuestras esposas Elizabeth y Lisa, y a todos nuestros hijos y nietos, por su amorosa comprensiรณn cuando pasamos tiempo escribiendo en lugar de estar con ellos.

Contenido breve Electricidad y magnetismo 1 1 2

Campos eléctricos

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Potencial eléctrico

2

Distribuciones continuas de carga y Ley de Gauss 29 50

Capacitancia y materiales dieléctricos Corriente y resistencia

105

Circuitos de corriente directa Campos magnéticos

127

156

Fuentes del campo magnético

185

Ley de Faraday 211 Inductancia

238

Circuitos de corriente alterna Ondas electromagnéticas

287

261

77

Contenido Acerca de los autores vii Prefacio viii Al estudiante xviii

1 Campos eléctricos 2 1.1 Propiedades de las cargas eléctricas 3 1.2 Objetos cargados mediante inducción 5 1.3 Ley de Coulomb 7 1.4 Modelo de análisis: partícula en un campo (eléctrico) 12 1.5 Líneas de campo eléctrico 17 1.6 Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico uniforme 19

2 Distribuciones continuas de carga y ley de Gauss 29 2.1 Campo eléctrico de una distribución de carga continua 30 2.2 Flujo eléctrico 34 2.3 Ley de Gauss 37 2.4 Aplicación de la ley de Gauss a varias distribuciones de carga 39

3 Potencial eléctrico 50 3.1 Potencial eléctrico y diferencia de potencial 51 3.2 Diferencias de potencial en un campo eléctrico uniforme 53 3.3 Potencial eléctrico y energía potencia debida a cargas puntuales 56 3.4 Obtención del valor del campo eléctrico a partir del potencial eléctrico 59 3.5 Potencial eléctrico debido a distribuciones continuas de carga 60 3.6 Conductores en equilibrio electrostático 65

4 Capacitancia y materiales dieléctricos 77 Definición de capacitancia 78 Cálculo de la capacitancia 79 Combinaciones de capacitores 82 Energía almacenada en un capacitor con carga 86 4.5 Capacitores con material dieléctrico 90

4.1 4.2 4.3 4.4

4.6 Dipolo eléctrico en un campo eléctrico 92 4.7 Descripción atómica de los materiales dieléctricos 95

5 Corriente y resistencia 105 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Corriente eléctrica 106 Resistencia 108 Modelo de conducción eléctrica 113 Resistencia y temperatura 115 Superconductores 116 Potencia eléctrica 117

6 Circuitos de corriente directa 127 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Fuerza electromotriz 128 Resistores en serie y en paralelo 130 Leyes de Kirchhoff 137 Circuitos RC 140 Cableado doméstico y seguridad eléctrica 146

7 Campos magnéticos 156 7.1 7.2 7.3

7.4

7.5

7.6

Modelo de análisis: Partícula en un campo (magnético) 157 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético uniforme 162 Aplicaciones del movimiento de partículas cargadas en un campo magnético 166 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta corriente 169 Momento de torsión sobre una espira de corriente en un campo magnético uniforme 171 El efecto Hall 175

8 Fuentes del campo magnético 185 8.1 Ley de Biot-Savart 186 8.2 Fuerza magnética entre dos conductores paralelos 191 8.3 Ley de Ampère 193 8.4 Campo magnético de un solenoide 196 8.5 Ley de Gauss en el magnetismo 198 8.6 Magnetismo en la materia 200

vi

Contenido

9 Ley de Faraday 211 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6

Ley de Faraday de la inducción 212 Fem de movimiento 215 Ley de Lenz 219 Forma general de la ley de Faraday 222 Generadores y motores 224 Corrientes de eddy 228

10 Inductancia 238 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

Autoinducción e inductancia 239 Circuitos RL 241 Energía en un campo magnético 244 Inductancia mutua 246 Oscilaciones en un circuito LC 248 Circuito RLC 251

11 Circuitos de corriente alterna 261 Fuentes de CA 262 Resistores en un circuito de CA 262 Inductores en un circuito de CA 265 Capacitores en un circuito de CA 268 Circuito RLC en serie 270 Potencia en un circuito de CA 273 Resonancia en un circuito RLC en serie 275 11.8 El transformador y la transmisión de energía 277

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7

12 Ondas electromagnéticas

287

12.1 Corriente de desplazamiento y la forma general de la ley de Ampère 288 12.2 Ecuaciones de Maxwell y los descubrimientos de Hertz 290 12.3 Ondas electromagnéticas planas 292

12.4 Energía transportada por ondas electromagnéticas 296 12.5 Cantidad de movimiento y presión de radiación 298 12.6 Producción de ondas electromagnéticas por una antena 300 12.7 El espectro de las ondas electromagnéticas 301

Apéndices A Tablas A–1 A.1 Factores de conversión A-1 A.2 Símbolos, dimensiones y unidades de cantidades físicas A-2

B Repaso matemático B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8

A-4

Notación científica A-4 Álgebra A-5 Geometría A-10 Trigonometría A-11 Desarrollo de series A-13 Cálculo diferencial A-13 Cálculo integral A-16 Propagación de incertidumbre A-20

C Tabla periódica de los elementos A-22 D Unidades del SI A-24 D.1 Unidades del SI A-24 D.2 Algunas unidades derivadas del SI A-24

Respuestas a exámenes rápidos y problemas con numeración impar A-25 Índice I-1

Acerca de los autores Raymond A. Serway

recibió su doctorado en el Illinois Institute of Technology y es profesor emérito en la James Madison University. En 2011 fue galardonado con un doctorado honorario por parte de su alma mater, Utica College. En 1990 recibió el Madison Scholar Award en la James Madison University, donde enseño durante 17 años. El doctor Serway comenzó su carrera docente en la Clarkson University, donde dirigió investigaciones y enseño de 1967 a 1980. En 1977 recibió el Distinguished Teaching Award en la Clarkson University y el Alumni Achievement Award del Utica College en 1985. Como científico invitado en el IBM Research Laboratory en Zurich, Suiza, trabajo con K. Alex Muller, ganador del premio Nobel 1987. El doctor Serway también fue científico visitante en el Argonne National Laboratory, donde colaboro con su mentor y amigo, Sam Marshall. Además, el doctor Serway es coautor de College Physics, novena edición; Principles of Physics, quinta edición; Essentials of College Physics; Modern Physics, tercera edición. También es coautor del libro de bachillerato Physics, publicado por Holt, Rinehart y Winston.

Además, el doctor Serway ha publicado más de 40 artículos de investigación en el campo de física de materia condensada y ha impartido más de 60 conferencias en reuniones profesionales. El doctor Serway y su esposa, Elizabeth, disfrutan viajar, jugar al golf, pescar, acampar cantar en un coro de iglesia y pasar tiempo de calidad con sus cuatro hijos y diez nietos, y recientemente, otro grandioso nieto.

John W. Jewett, Jr. obtuvo su licenciatura en Física en la Drexel University y su doctorado en la Ohio State University, con especialidad en las propiedades ópticas y magnéticas de la materia condensada. El doctor Jewett comenzó su carrera académica en el Richard Stockton College de Nueva Jersey, donde enseño de 1974 a 1984. En la actualidad es profesor emérito de física en la California State Polytechnic University, en Pomona.

A lo largo de su carrera docente, el doctor Jewett ha sido un activo promotor de la educación en ciencias físicas. Además de recibir cuatro becas National Science Foundation, ayudó a fundar y dirigir el Southern California Area Modern Physics Institute (SCAMPI) y el Science IMPACT (Institute of Modern Pedagogy and Creative Teaching), que trabaja con profesores y escuelas para desarrollar curricula efectiva en ciencia. Los premios del doctor Jewett incluyen el Stockton Merit Award en el Richard Stockton College en 1980, el Outstanding Professor Award en la California State Polythecnic University de 1991-1992 y el Excellence in Undergraduate Physics Teaching Award de la American Association of Physics Teachers (AAPT) en 1998. En 2010, recibió el Alumni Lifetime Achievement Award de la Drexel University en reconocimiento a sus contribuciones en la educación en física. Ha impartido más de 100 conferencias en reuniones profesionales, incluidas conferencias en la AAPT. También ha publicado 25 artículos sobre física de la materia condensada e investigaciones en la enseñanza de la física. Además, es autor de The World of Physics: Mysteries, Magic and Myth, el cual proporciona un gran número de conexiones entre la física y las experiencias cotidianas. Aparte de su trabajo en este libro, es coautor de Principles of Physics, quinta edición, así como de Global Issues, un conjunto de cuatro manuales de ciencia integral para educación secundaria. Al doctor Jewett le gusta tocar piano con su banda de físicos, viajar, la fotografía submarina, las lenguas extranjeras y coleccionar antigüedades que se puedan usar como aparatos de demostración en clases de física. Lo más importante, le gusta pasar el tiempo con su esposa, Lisa, su hijo y nieto.

vii

Prefacio

A

l escribir esta décima edición de Física. Electricidad y magnetismo, continuamos con nuestros esfuerzos por mejorar la claridad de la presentación e incluir nuevas características pedagógicas que ayudan a apoyar los procesos de aprendizaje y enseñanza. Al retroalimentar las sugerencias de los usuarios de la novena edición, así como de los revisores, hemos refinado el texto para satisfacer mejor las necesidades de los estudiantes y profesores.

Este libro está pensado para un curso introductorio de física para estudiantes que se especializan en ciencia o ingeniería. Todo el contenido del libro podría cubrirse en un curso de tres semestres. Los antecedentes matemáticos ideales de los estudiantes que tomen este curso deben incluir un semestre de cálculo. Si esto no es posible, el estudiante debe inscribirse en un curso simultáneo de introducción al cálculo.

Objetivos Este libro tiene tres objetivos principales: proporcionar al estudiante una presentación clara y lógica de los conceptos básicos y principios de la física, en especial aquellos relacionados con electricidad y magnetismo, fortalecer la comprensión de los conceptos y principios a través de un amplio rango de interesantes aplicaciones al mundo real y desarrollar habilidades para resolver problemas por medio de un enfoque efectivamente organizado.

Para alcanzar estos objetivos hemos enfatizado en argumentos físicos bien organizados y nos hemos concentrado en estrategias para resolver problemas. Al mismo tiempo hemos intentado motivar al estudiante mediante ejemplos prácticos que demuestren el papel de la física en otras disciplinas, incluidas ingeniería, química y medicina.

Cambios en la décima edición Para la décima edición se realizaron un gran número de cambios y mejoras. Algunas de las nuevas características se basan en nuestras experiencias y en las tendencias actuales en la educación científica. Se incorporaron otros cambios en respuesta a los comentarios y sugerencias ofrecidas por los usuarios de la novena edición y por los revisores del manuscrito. Las características que se presentan a continuación representan los cambios principales de la décima edición.

Nuevos elementos de evaluación Nuevos problemas ricos en contexto de evaluación. Problemas ricos en el contexto (identificados con un icono de CE) siempre sitúa a “usted” como el individuo en el problema para que tenga una conexión del mundo real en vez de discutir bloques en planos o bolas en cuerdas. Se estructuran como un cuento corto y no siempre se identifica explícitamente la variable que necesita ser evaluada. Los problemas ricos en contexto pueden relacionarse con la semblanza del capítulo, podría incluir escenarios de “testigo experto”, que permiten a los estudiantes ir más allá del manejo matemático mediante el diseño de un argumento basado en resultados matemáticos, o pedir que las decisiones sean hechos en situaciones reales. Un ejemplo de un nuevo problema rico en contexto se presenta en la siguiente página.

Nuevos problemas y actividades de Trabajo colaborativo; Piense, dialogue y comparta. Los problemas y actividades de Trabajo colaborativo son similares a los problemas ricos en contexto, pero tienden a beneficiarse más de las discusiones grupales porque la solución no es tan directa como para un problema de un sólo concepto. Algunos problemas de trabajo colaborativo requieren que el grupo discuta y tome decisiones; otros se hacen más desafiantes por el hecho de que alguna información no está y no se puede conocer. Todos los capítulos del texto tienen al menos un problema o actividad de trabajo colaborativo. A continuación se presentan ejemplos de un problema de “Trabajo colaborativo” y una actividad de “Trabajo colaborativo”.

viii

Prefacio

1. Usted está trabajando haciendo entregas para una tienda de lácteos. En la parte de atrás de su camioneta hay una caja de huevos. En la tienda de lácteos se han agotado las cuerdas elásticas, por lo que la caja no está atada. Se le ha dicho que conduzca con cuidado porque el coeficiente de fricción estática entre el cajón y la cama del camión es 0.600. No está preocupado, porque están viajando por una carretera que parece perfectamente recta. Debido a su confianza y falta de atención, su velocidad ha aumentado arriba de 45.0 mi/h. De repente, ve una curva adelante con un letrero de advertencia que dice, “Peligro: curva no peraltada con radio de curvatura de 35.0 m.” Usted está a 15.0 m de donde empieza la curva. ¿Qué puede hacer para salvar los huevos: (i) tomar la curva a 45.0 mi/h, (ii) frenar hasta detenerse antes de entrar en la curva para pensar en esto, o (iii) reducir la velocidad para tomar la curva a una velocidad más lenta? Discuta estas opciones con su grupo y determine si hay un mejor camino a seguir.

ix

20. Hay la caminata 5K que tendrá lugar en su ciudad. MienCE tras habla con su abuela, que usa una motoneta eléctrica para moverse, ella le dice que le gustaría acompañarle con su motoneta mientras usted camina la distancia de 5.00 km.

El manual que venía con su motoneta indica que con batería completamente cargada puede proporcionar 120 Wh de energía antes de que se agote. Para preparase para la carrera, usted va para una “unidad de prueba”: comenzando con una batería completamente cargada, su abuela va a su lado mientras camina 5.00 km en terreno plano. Al final de la caminata, el indicador de uso de la batería muestra que permanece 40.0% de la carga original en la batería. Usted también sabe que el peso combinado de la motoneta y su abuela es de 890 N. Unos días más tarde, lleno de confianza de que la batería tiene suficiente energía, usted y su abuela se dirigen hacia el evento 5K. Usted no sabe, que la ruta 5K no es en terreno plano, sino que es toda cuesta arriba, terminando en un punto más alto que la línea de salida. Un funcionario de la carrera le dice que la cantidad total de desplazamiento vertical en la ruta es de 150 m. ¿Podría acompañarle su abuela en la caminata, o se quedará varado cuando la batería se agote?

Suponga que la única diferencia entre su prueba en la unidad y el evento real es el desplazamiento vertical.

3. ACTIVIDAD (a) Coloque diez centavos en una regla graduada horizontal, con un centavo a 10 cm, 20 cm, 30 cm, etc., hasta 100 cm. Levante con cuidado la regla, manténgala horizontal, y haga que un miembro del grupo realice una grabación de video del siguiente evento, usando un teléfono inteligente u otro dispositivo. Mientras la grabación de video está en curso, suelte el extremo de 100 cm de la regla mientras que el extremo de 0 cm descansa en el dedo de alguien o en el borde de la mesa. Al pasar las imágenes de video o ver el video en cámara lenta, determine qué centavo primero pierde contacto con la regla mientras cae. (b) Haga una determinación teórica de qué centavos deberían primero perder contacto y compararlo con su resultado experimental.

Cambios de contenido Reorganización de los capítulos 1 a 3. El movimiento del material de distribución continua de la carga se incorporó en el capítulo 1 (Campos eléctricos) al capítulo 2 (Distribuciones continuas de carga y ley de Gauss) dio como resultado un capítulo que es una introducción más gradual para los estudiantes en el nuevo y desafiante tema de electricidad. El capítulo ahora implica solamente campos eléctricos debido a cargas puntuales y a campos eléctricos uniformes debido a placas paralelas.

El capítulo 2 antes incluía sólo el análisis de campos eléctricos debido a distribuciones continuas de la carga usando la ley de Gauss. La incorporación del material de la distribución continua de carga al capítulo 2 da como resultado un capítulo completo basado en el análisis de campos de distribuciones de carga continua, utilizando dos técnicas: la integración y la ley de Gauss.

El capítulo 2 antes contenía una discusión de las cuatro características de conductores cargados aislados. Tres de estas características fueron comentadas con argumentos de principios básicos, mientras que el estudiante era referido al material necesario del capítulo siguiente (Potencial eléctrico) para una discusión de la cuarta característica. Con el movimiento de esta discusión al capítulo 3 para esta edición, el estudiante ha aprendido todo el material básico necesario antes de la discusión de las características de los conductores cargados aislados, y pueden discutir las cuatro características a partir de principios básicos.

Nueva sección llamada “Imagine” como introducción al texto del capítulo. Cada capítulo se abre con una sección de Imagine. Esta característica proporciona una historia continua a través de todo el libro de “usted” como un estudiante de física inquisitivo observando y anali-

ix

x

Prefacio zando fenómenos que ve en la vida cotidiana. Esta sección en muchos capítulos implica medidas con un teléfono inteligente, videos de YouTube, o investigaciones en internet.

Nuevas conexiones de apertura de capítulos. El inicio de cada capítulo también se incluye una sección de conexiones que muestra cómo el material del capítulo se conecta con el material previamente estudiado y con el material futuro. La sección de conexiones proporciona un “panorama general” de los conceptos, explica por qué este capítulo se coloca en este lugar en particular en relación con los otros capítulos, y muestra cómo la estructura de la física se basa en material previo.

Características del texto La mayoría de los profesores creen que el libro de texto seleccionado para un curso debe ser la guía principal del estudiante para entender y aprender el tema. Además, el libro de texto debe ser fácilmente accesible y debe ser estilizado y escrito para facilitar la instrucción y el aprendizaje. Con estos puntos en mente, hemos incluido muchas características pedagógicas, enumeradas a continuación, que están destinadas a mejorar su utilidad tanto para los estudiantes como para los docentes.

Resolución de problemas y comprensión conceptual Enfoque del modelo de análisis para resolver problemas. Los estudiantes se enfrentan a cientos de problemas durante sus cursos de física. Un número relativamente pequeño de principios fundamentales forman la base de estos problemas. Cuando se enfrenta a un nuevo problema, un físico forma un modelo del problema que se puede resolver de una manera sencilla identificando el principio fundamental que es aplicable en el problema. Por ejemplo, muchos problemas implican la conservación de la energía, la segunda ley de Newton, o las ecuaciones cinemáticas. Debido a que el físico ha estudiado estos principios y sus aplicaciones ampliamente, él o ella puede aplicar este conocimiento como un modelo para resolver un nuevo problema. Aunque sería ideal que los estudiantes siguieran este mismo proceso, la mayoría de los estudiantes tienen dificultades para familiarizarse con toda la paleta de principios fundamentales que están disponibles. Es más fácil que los estudiantes identifiquen una situación en lugar de un principio fundamental.

El enfoque de modelo de análisis establece un conjunto estándar de situaciones que aparecen en la mayoría de los problemas de la física. Estas situaciones se basan en una entidad en uno de los cuatro modelos de simplificación: partícula, sistema, objeto rígido y onda. Una vez que se identifica el modelo de simplificación, el estudiante piensa acerca de lo que la entidad está haciendo o cómo interactúa con su entorno. Esto conduce al estudiante a identificar un modelo de análisis específico para el problema. Por ejemplo, si un objeto está cayendo, el objeto se reconoce como una partícula que experimenta una aceleración debida a la gravedad que es constante. El estudiante ha aprendido que el modelo análisis de una partícula bajo aceleración constante describe esta situación. Además, este modelo tiene un pequeño número de ecuaciones asociadas con él para su uso en el inicio de problemas, las ecuaciones cinemáticas. Por tanto, una comprensión de la situación ha llevado a un modelo de análisis, que luego identifica un número muy pequeño de ecuaciones para iniciar el problema, en lugar de las múltiples ecuaciones que los estudiantes ven en el libro. De esta manera, el uso de modelos de análisis lleva al estudiante a identificar el principio fundamental. A medida que el estudiante gane más experiencia, él o ella se recargará menos en el enfoque del modelo de análisis y comenzará a identificar los principios fundamentales directamente.

El enfoque del modelo de análisis para la resolución de problemas proporciona a los estudiantes un proceso estructurado para resolver problemas. En todos los capítulos, la estrategia se emplea explícitamente en todos los ejemplos para que los alumnos aprendan cómo se aplica. Se motiva a los estudiantes a seguir esta estrategia cuando trabaje con problemas de fin de capítulo.

Los cuadros descriptivos del modelo de análisis se presentan al final de cualquier sección que introduce un nuevo modelo de análisis. Esta característica recapitula el modelo de análisis introducido en la sección y proporciona ejemplos de los tipos de problemas que un estudiante podría resolver utilizando el modelo de análisis. Estas cajas funcionan como un “repaso” antes de que los estudiantes vean los modelos de análisis en uso en los ejemplos trabajados para una sección dada. El enfoque se refuerza en el resumen de final de capítulo bajo el encabezado de los Modelos de análisis para la resolución de problemas.

Prefacio Tutoriales del modelo de análisis. John Jewett desarrolló 165 tutoriales (que aparecen en ) que forlos conjuntos de problemas del texto impreso están indicados por un icono talecen las habilidades de resolución de problemas de los estudiantes al guiarlos a través de los pasos en el proceso de resolución de problemas. Los primeros pasos importantes incluyen hacer predicciones y enfocarse en conceptos de física antes de resolver el problema cuantitativamente. Un componente crítico de estos tutoriales es la selección de un modelo de análisis apropiado para describir lo que está sucediendo en el problema. Este paso permite a los estudiantes hacer el importante vínculo entre la situación en el problema y la representación matemática de la situación. Los tutoriales del modelo de análisis incluyen retroalimentación significativa en cada paso para ayudar a los estudiantes a practicar el proceso de resolución de problemas y mejorar sus habilidades. Además, la retroalimentación se refiere a los conceptos erróneos de los estudiantes y les ayuda a detectar otros errores algebraicos y matemáticos. Las soluciones se llevan a cabo simbólicamente cada vez que sea posible, sustituyendo valores numéricos al final. Esta función ayuda a los estudiantes a comprender los efectos de cambiar los valores de cada variable en el problema, evita la sustitución repetitiva innecesaria de los mismos números y elimina los errores de redondeo. Los comentarios al final del tutorial motivan a los estudiantes a comparar la respuesta final con sus predicciones originales.

Ejemplos trabajados. Todos los ejemplos trabajados en el libro se presentan en un formato de dos columnas para reforzar mejor los conceptos físicos. La columna de la izquierda muestra información textual que describe los pasos para resolver el problema. La columna derecha muestra las manipulaciones matemáticas y los resultados al seguir estos pasos.

Esta disposición facilita la relación del concepto con su ejecución matemática y ayuda a los alumnos a organizar su trabajo. Los ejemplos siguen de cerca el enfoque del modelo de análisis para la resolución de problemas. Una muestra de un ejemplo trabajado se puede encontrar en la página siguiente.

Los ejemplos consisten en dos tipos. El primer tipo (y más común) de ejemplo presenta un problema y una respuesta numérica. El segundo tipo de ejemplo es de naturaleza conceptual. Para dar cabida a un mayor énfasis en la comprensión de los conceptos físicos, los muchos ejemplos conceptuales están etiquetados como tales y están diseñados para ayudar a los estudiantes a centrarse en la situación física en el problema. Las soluciones de los ejemplos trabajados se presentan simbólicamente en la medida de lo posible, con valores numéricos sustituidos al final. Este enfoque ayudará a los estudiantes a pensar simbólicamente cuando se resuelven problemas en lugar de insertar innecesariamente números en ecuaciones intermedias. ¿Qué pasaría sí? Aproximadamente un tercio de los ejemplos trabajados en el libro tienen una característica ¿qué pasaría si? Al final de la solución del ejemplo, ¿qué pasaría si? la pregunta ofrece una variación de la situación planteada en el ejemplo del libro.

Esta característica motiva a los estudiantes a pensar en los resultados del ejemplo, y también ayuda a la comprensión conceptual de los principios. ¿Qué pasaría sí? las preguntas también preparan a los estudiantes para encontrar problemas novedosos que se pueden incluir en los exámenes. Los problemas de fin de capítulo seleccionados también incluyen esta característica.

Cuestionarios rápidos. Se les proporcionan a los estudiantes una oportunidad de probar su comprensión de los conceptos físicos presentados a través de cuestionarios rápidos. Las preguntas requieren que los estudiantes tomen decisiones con base en el razonamiento sólido, y se han escrito algunas de preguntas para ayudar a los estudiantes a superar los conceptos erróneos comunes. Los cuestionarios rápidos se han escrito en un formato objetivo, incluyendo opción múltiple, verdadero-falso y clasificación. Las respuestas a todas las preguntas del cuestionario rápido se encuentran al final del libro. Muchos docentes optan por usar estas preguntas en un estilo de enseñanza de “Instrucción peer” o con el uso del sistema de respuesta personal “contador”, pero también se pueden usar en formato de cuestionario estándar. A continuación, se presenta un ejemplo de un cuestionario rápido.

E XAMEN RÁPIDO 7.5 Un dardo se carga en una pistola de resorte al comprimir a éste por una distancia x. En la segunda carga, al resorte se le comprime una distancia 2x. ¿Qué tan rápido, comparado con el primero, el segundo dardo abandona la pistola? (a) cuatro veces más, (b) dos veces más, (c) igual, (d) la mitad, (e) la cuarta parte.

xi

S

xii

S

E XAMEN RÁPIDO 3.2 Las magnitudes de dos vectores A y B son A 12 unidades y B 8 unidades. ¿Cuál de los siguientes pares de números representa los valores más S S S grandes y más pequeños posibles para la magnitud del vector resultante R 5 A 1 B ?

Prefacio (a) 14.4 unidades, 4 unidades, (b) 12 unidades, 8 unidades, (c) 20 unidades, 4 unidades, (d) ninguna de estas respuestas.

S

S

E XAMEN RÁPIDO 3.3 Si el vector B se suma al vector A , ¿cuáles dos de las siguientes S S opciones deben ser verdaderas para que el vector resultante sea igual a cero? (a) A y B S S son paralelos y en la misma dirección. (b) A y B son paralelos y en direcciones opuesS S S S tas. (c) A y B tienen la misma magnitud. (d) A y B son perpendiculares.

Ejemplo 3.2 Un viaje de vacaciones y (km)

Cada solución se ha escrito para seguir de cerca el enfoque de modelo de análisis para reforzar nuevos hábitos para resolver problemas.

40

S

B S

S

40

E S

20

u

S

R

S

A

20 S

S

0

20

b

B

b A

S

Conceptualizar Los vectores A y B dibujados en la figura 3.11a ayudan conceptualizar S el problema. También se ha dibujado el vector resultante R. Esperamos que su magnitud sea de unas pocas decenas de kilómetros. El ángulo que hace que el vector resultante con el eje y seSespera que sea menos de 60°, el ángulo que el vector B hace con el eje y.

O

60.0

R

SOLUCIÓN

y (km) N

Un automóvil viaja 20.0 km al norte y luego a 35.0 km en una dirección 60.0° al noroeste, como se muestra en la figura 3.11a. Encuentre la magnitud y dirección del desplazamiento resultante del automóvil.

x (km)

a

20

x (km)

0

b

Figura 3.11 (Ejemplo 3.2) (a)SMétodo gráfico para encontrar el vector S S de desplazamiento resultante R 5 A 1 B . (b) Sumando los vectores en S S S orden inverso sB 1 Ad da el mismo resultado para R .

S

Categorizar Este ejemplo se puede clasificar como un simple problema de análisis acerca de suma vectorial. El desplazamiento R es S S la resultante cuando se añaden los dos desplazamientos individuales A y B. Además, se puede clasificar como un problema acerca del análisis de triángulos, así que se acude a la experiencia en geometría y trigonometría.

Cada paso de la solución se detalla en un formato de dos columnas. La columna izquierda proporciona una explicación para cada paso matemático en la columna derecha, para mejorar el reforzamiento de los conceptos físicos.

Analizar En este ejemplo se muestran dos formas para analizar el problema de encontrar la resultante de dos vectores. La primera es resolver el problema mediante la geometría, con el uso de papel graficado y un transportador para medir la magnitud S de R y su dirección en la figura 3.11a. (De hecho, aun cuando sepa que va a realizar un cálculo, debe bosquejar los vectores para comprobar sus resultados.) Con una regla y transportador ordinarios, típicamente un buen diagrama da respuestas con dos dígiS tos pero no con una precisión de tres dígitos. ¡Intente usar estas herramientas en R en la figura 3.11a y compare con el análisis trigonométrico que se muestra a continuación!

S La segunda forma de resolver el problema es analizarlo con álgebra. La magnitud de R se obtiene a partir de la ley de cosenos, tal como se aplica al triángulo en la figura 3.11a (véase el apéndice B.4).

A2 Aplique R 2 para encontrar R:

B2

2AB cos

de la ley de cosenos

R 5 ÏA2 1 B 2 2 2AB cos

Sustituya valores numéricos y Note que 180° 60° 120°:

R 5 Ïs20.0 kmd2 1 s35.0 kmd2 2 2s20.0 kmds35.0 kmd cos 1208

Aplique la leySde senos (apéndice B.4) para encontrar la dirección de R medida desde la dirección norte:

sen sen 5 B R

5 48.2 km

sen 5

58

Capítulo 3 Vectores

B 35.0 km sen 5 sen 1208 5 0.629 R 48.2 km

5 38.98

c o n t i n u a c i óresultante n 3.2 El desplazamiento del automóvil es 48.2 km con una dirección de 38.9° al noroeste.

Finalizar ¿El ángulo , que se calculó, concuerda con una estimación realizada al observar la figura 3.11a o con un ángulo medido del diagrama con el uso delSmétodo de la poligonal? ¿Es razonable que la magnitud de R sea mayor que la S S S de A y B? ¿Las unidades de R son correctas?

Aunque el método de la poligonal para sumar vectores funciona bien, tiene dos desventajas. Primera, algunas personas

continúa

encuentran abrumador el uso de las leyes de cosenos y senos.

Segunda, sólo resulta un triángulo si suma dos vectores. Si suma tres o más vectores, la forma geométrica resultante no es un triángulo. En la sección 3.4 se explora un nuevo método para sumar vectores que abordará estas dos desventajas.

¿QUÉ PASARÍA SI? Suponga que el viaje se realiza considerando los dos vectores en orden inverso: 35.0 km con dirección 60.0° al noroeste primero y después 20.0 km al norte. ¿Cómo cambiarían la magnitud y dirección del vector resultante?

Respuesta No cambiarían. La ley conmutativa para la suma vectorial dice que el orden de los vectores en una suma es irrelevante. Gráficamente, la figura 3.11b muestra que los vectores Añadidos en orden inverso proporcionan el mismo vector resultante.

Las expresiones ¿Qué pasaría sí? se presentan en aproximadamente un tercio de los ejemplos trabajados y ofrecen una variación en la situación de lo que se plantea en el texto del ejemplo. Por ejemplo, esta característica podría explorar los efectos de cambiar las condiciones de la situación, determinar qué sucede cuando una cantidad se lleva a un valor limitador particular, o pregunta si se puede determinar información adicional sobre la situación El método gráfico de suma de vectores no se recomienda cuando se requiere gran predel problema. Esta característicacisión motiva a los estudiantes a pensar en los delseejemplo ayuda a la de suma o en problemas tridimensionales.

Enresultados esta sección describey un método comprensión conceptual de los principios. de vectores que utiliza las proyecciones de los vectores a lo largo de los ejes coordenados.

3.4 Componentes de un vector y vectores unitarios

PREVENCIÓN DE RIESGOS OCULTOS 3.2

Dichas proyecciones se llaman componentes del vector o sus componentes rectangulares.

Cualquier vector se puede describir por completo mediante sus componentes.

S Considere un vector A que se encuentra en el plano xy y forma un ángulo arbitrario con el eje positivo x, como se muestra en la figura 3.12a. Este vector se puede expresar S S como la suma de otros dos vectores componentes A x , que es paralelo al eje x, y A , que es paralelo al eje y. De la figura 3.12b se ve que los tres vectores forman un triángulo rectángulo S

S

S

S

Prefacio

xiii

Prevenciones de riesgos ocultos. Se proporcionan diferentes prevenciones de riesgos 208 (comoCapítulo 8 Conservación de la energía PREVENCIÓN DE la que aparece junto a este texto) para ayudar a los estudiantes a evitar errores comunes RIESGOS OCULTOS 16.2 y desacuerdos. Estas características, que se colocan en los márgenes del texto,como abordan un cilindro que v t Dos clases de rapidez/velocidad empuja una pila creciente los conceptos erróneos comunes de los estudiantes y las situaciones en las que los estude aire enfrente de él. ElNo aire confunda v, la rapidez de la diantes suelen seguir caminos improductivos. originalmente estacionario onda a medida que se propagaS

se pone en movimiento a la

v

lo largo de la cuerda, con vy , Resúmenes. Cada capítulo contiene un resumen que revisa los conceptos y ecuaciones rapidez constante v del acilintransversal A de un dro, como se -muestra la en velocidad la figura P8.32. En un intervalo punto en la cuerda. La rapidez tos y principios, y modelos de análisis para la resolución de problemas. En cada sección, Figura P8.32 de tiempo Dt, un nuevo vdisco es constante para un medio de masa Dm se debe recuadros tipo ficha de estudio se enfocan en cada definición, concepto, principiodeoaire análisis uniforme, mientras que vy varía 208 Capítulo 8 Conservación de la energíamover una distancia vDt y 1 del modelo por separado. forma senoidal. por tanto se le debe darenuna energía cinética 2 sDmdv 2. Con

(a en po el uso de este modelo, muestre que la pérdida de potencia de 1 que 3 causa movimiento; w un cilindro que revisaron cada pregunta Sea Pa la potencia del de un agente Conjunto de problemas. Para la décimacomo edición, los autores y proAv del automóvil debida resistencia aire es , y que la un 2 v t 1 2 empuja una pila creciente la actúa carga en movida; d, la distancia cubierta; y Dt, el intervalo fuerza resistiva que el automóvil es donde es la 2 Av , blema e incorporaron revisiones diseñadas para mejorar la legibilidad y la asignación. de aire enfrente de él. El aire de Compare tiempo requerido.

Entonces (1) una potencia igual a la densidad del aire. este resultado con la expresión la 1 2 P en un intervalo de tiempo igual a Dt moverá w/2 una originalmente estacionario D Av empírica para la fuerza resistiva. pr 2Las S Problemas. Al final de cada capítulosesepone incluye un extenso conjunto de problemas. v en movimiento a la distancia 2d, o (2) moverá w/2 la distancia dada d en 33. Haciendo caso omiso del peligro, un niño salta sobre una 37. Pr rapidezimpares constante ven delel cilinel intervalo de tiempo Dt/2. Además, si (3) la potencia respuestas para problemas con números texto impreso se proporcionan al pila de colchones viejos para usarlos como un trampolín. Su A dro, como se muestra en la conocida P mueve la carga dada w una distancia d/2 encae entre concretos por la se incluyen 1 movimiento (a) de aire de masa Dm se debe final del libro.

2 dos puntos 2 se describe co Demuestre que las proporciones de 1 s46.0de kgds9.80 mys ds2.80 1 Aristóteles xd (4) 5 figura P8.32. En un intervalo intervalo tiempo Dt/2, pormtanto P/2 moverá w/2 2 s46.0 kgds2.40 mysd ecuación de conservación de energía mover una distancia vDtpor y las secciones 1 2constante de pro en lalaecuación Dt 5 dbwd, una Figura 1P8.32 Los problemas de fin de capítulo están organizados de cada capítulo 3 10b4 es Nymdx de tiempo Dt, un nuevo disco distanciaPdada en eldonde intervalo de tiempo dado Dt. cu 2 s1.94 2 por tanto se le debe dar una energía cinética 2 sDmdv . Con de porcionalidad. (b) Demuestre que la teoría de movimiento (aproximadamente dos tercios de los el problemas están codificados secciones específicas uso de este modelo, muestre que la en pérdida de potencia tic libro incluye esta de lael teoría de Aristóteles como (a) Resuelva del la ecuación para x. (b)parte Redacte enunciado de 1 3 Av , y queun automóvil debida ahora a resistencia del aire la problema, un caso especial.

En para particular, describa una en del capítulo). Dentro de cada sección,dellos problemas están en es la 2“plataforma” de los incluyendo los datos que esta ecuación de situación ca fuerza resistiva que actúa en el automóvil es 12 Av 2, donde laessolución. (c) de la que sea verdadera, deduzca la ecuación Agregue los dos valores de x obtenidos enque el represente estudiantes ordenados en forma ascendente de pensamiento en la presentación de todos la densidad del aire. Compare este resultado con la expresión las proporciones de Aristóteles y determine la constante ta de inciso (a) y divida entre 2. (d) ¿Cuál es el significado del valor 1 2 38. fe empírica para la fuerza resistiva. los problemas sencillos en la primera sección, por los problemas intermedios.

2 D Av seguida resultante enproporcionalidad. el inciso (c)? ¿C 33. Haciendo caso omiso del peligro, un salta los sobre una 37.de Problema de repaso unala broma, alguien 34.

Problema repaso. ¿Por qué esComo imposible siguiente situa-equilibró una (Los números de problema para problemas sencillos se imprimen enniño negro; problemas de pila de colchones viejos para usarlos como un trampolín. ción?

Su Una nueva Pr calabaza en elrusa punto más rapidez alto de se unafirma gran silo. montaña de alta que El silo tiene nivel intermedio están en azul.) La sección deentre Problemas adicionales movimiento dos puntos concretos se contiene describe porproblemas qu remate un casco semiesférico no tiene fricción esla tan seguracomo que los pasajeros no necesitan llevarque cinturoecuación de conservación de energía sit cuando está mojado. línea desde el centro de curvatura que no están codificados en secciones específicas. Al final de cada capítulo estánes la sección de seguridad o cualquier otro La dispositivo de restricción. a del haciacon la calabaza formacircular un ángulo 5 0° con la ver Laun montaña estácasco diseñada una sección vertical i 2 2 de Problemas de desafío, que reúne los12s46.0 problemas más difíciles capítulo lugar kgds2.40 mysd 1 s46.0 kgds9.80de mysun ds2.80 m 1 xd 5 en m En unaviaja noche mientras está para de pie en las cer sobre el cualtical. la montaña enlluviosa, el interior del círculo 1 4 2 s1.94 3 10 Nymdx dado. (Los problemas de desafío tienen números de problema marcados en rojo).

2 canías, un boca soploabajo de viento haceun que la calabaza que los pasajeros estén durante corto intervalose comiencequa tu hacia abajo desde el es reposo.

Lay calabaza de tiempo. Eldeslizar radio de la sección circular 12.0 m la mon- pierde con Hay varios tipos de problemas que(a) aparecen este para texto: Resuelva laen ecuación x. (b) Redacte el enunciado de su tacto el casco cuando línea desde el centro taña rusa entra en con la parte inferior de lalasección circular con del hemis un problema, incluyendo los datos para que esta ecuación de ho ferio hacia calabazaque forma cierto con la vertical una rapidez de 22.0 m/s.laSuponga el carro se ángulo mueve sin la solución. (c) Agregue los dos valores de x obtenidos en el pe este ángulo? fricción en la¿Cuál pista es y modele al carro como una partícula. inciso (a) y divida entre 2.partes (d) ¿Cuál que es el significado del valor Los Problemas cuantitativos/conceptuales tienen le piden a los estutu 38. horizontal Problema unido de repaso.

35. Un resorte a una ¿Por pared tiene una consresultante en el inciso (c)? el qué imposible la bloque siguiente tante elástica k 5es850 N/m. Un de masa m 5 1.00 kg diantes que piensen cuantitativa 34. y conceptualmente.

Un ejemplo de un problema cuanProblema de repaso. ¿Por qué es imposible la siguiente situasu situación?

Una sobre atleta una pone se une al resorte y descansa superficie horizontal ción? Una nueva montaña rusa de alta rapidez se afirma que titativo/conceptual se presenta a continuación: ap a prueba fortaleza de sus sin fricción como en lalafigura P8.35. (a) El bloque se jala a ui es tan segura que los pasajeros no necesitan llevar cinturotra al tener un asistente una posiciónmanos xi 5 6.00 cm desde la posición de equilibrio y nes de seguridad o cualquier otro dispositivo de restricción. m que cuelga pesos potencial de su cin-elástica almacenada se suelta. Encuentre la energía La montaña está diseñada con una sección circular vertical sus manos dese una barra El equilibrio y cuando elelbloque pasa por la posición de equilitaña rusa entra en lade parte inferior de la sección circular con turón cuando cuelga con en elen resorte cuando bloque estácm?

6.00 cm de laqué posición de tiempo.

El radio la sección circular esun12.0 m yintervalo la monturón han aumentado hasta está una posición xicuelgan /2 5 3.00 (d) ¿Por no es de la que loselpasajeros estén boca abajo durante corto pesos que de su cinpunto de equilibrio. (c) ¿Cuál es la rapidez del bloque cuando sobre cual la montaña viaja en el interior del círculo para horizontal.

Cuando los cuando pasa por el pa brio. (b) Encuentre la rapidez del bloque una rapidez de 22.0 m/s. Suponga que el carro se mueve sin el 80%(c)delasu pesode corporal, respuesta al inciso mitad la respuesta del inciso (b). os fricción en la pista y modele al carro como una partícula. sus manos ya no pueden so 35. Un resorte horizontal unido a una pared tiene una consapoyarla y cae al piso. FrusFigura P8.38 za tante elástica k 5 850 N/m. Un bloque de masa m 5 1.00 kg trada por no cumplir su El problema se identifica 60 se une al resorte y descansa sobre una superficie horizontal meta kde fuerza en las manos, decide oscilar en un trapecio ad con un icono m sin fricción como en la figura P8.35. (a) El bloque se jala a El trapecio consiste en una barra suspendida por dos cuerda su una posición xi 5 6.00 cm desde la posición de equilibrio y paralelas, cada una de longitud <, permitiendo a los 39. artista m se suelta. Encuentre la energía potencial elástica almacenada oscilar en un arco circular vertical (figura P8.38). La atleta pe en el resorte cuando el bloque está 6.00 cm de la posición de sostiene la barra una xplataforma elevada, comen x y0 sale x de xi /2 xi cia equilibrio y cuando el bloque pasa por la posición de equilizando a partir del reposo con las cuerdas en un ángulo Un Los incisos a)-c) del problema le brio. (b) Encuentre la rapidez del bloque cuando pasa por el 60.0° con respecto a la vertical. Cuando se balancea hacia Figura P8.35 m punto de equilibrio. (c) ¿Cuál es la rapidez del bloque cuando adelante y hacia atrás varias veces en un arco circular, olvida piden cálculos cuantitativos a. está en una posición xi/2 5 3.00 cm? (d) ¿Por qué no la más de su frustración relacionada la prueba de fuerza en cid la 36.esHace 2 300 años el maestro griegocon Aristóteles escribió respuesta al inciso (c) la mitad de la respuesta del inciso (b). manos.

Suponga el tamaño del cuerpomás de la artista N. e el primer libro llamado Física.que Puesto en terminología fu pequeño en comparación con laEta: longitud < y que la resisten precisa, este pasaje es del final de su sección po cia del aire es despreciable.

5 ien La parte d) le pide contestar 39. Un avión de 1.50 3 104 kg de masa hace un vuelo a nivel k Es una pregunta conceptual moviéndose inicialmente a 60.0 m/s. La fuerza resistiva ejer m sit acerca deenlaelsituación. cida por el aire avión tiene una magnitud de 4.0 ga ig (b 5.0 N. Por la tercera ley de Newton, si los motores ejercen una Los problemas simbólicos le piden a los estudiantes resolver un problema usando solafuerza en los gases de escape para expulsarlos de la parte 3 10 x 0 x edición xi /2 x x(así mente la manipulación simbólica. Los revisores de la novena como la maposterior del motor, los gases de escape ejercen una fuerza i en los motores en la dirección de desplazamiento del avión yoría de los encuestados de una gran muestra) pidieron específicamente un aumento Figura P8.35 Esta fuerza se denomina empuje, y el valor del empuje en esta en el número de problemas simbólicos encontrados en el libro porque refleja mejor situación es 7.50 3 104 N. (a) ¿Es el trabajo realizado por lo 36. Hace más de 2 300 años el maestro griego Aristóteles escribió gases de escape en el avión durante un intervalo de tiempo la forma en que los docentes quieren que sus estudiantes piensen cuando resuelven el primer libro llamado Física. Puesto en terminología más igual al cambio en la energía cinética del avión? Explique este pasaje es del final de su Eta: a continuación. problemas de física. Un ejemplo de precisa, un problema simbólico sesección presenta (b) Encuentre la rapidez del avión después de que ha viajado 5.0 3 102 m.

Figura P6.31

máxima que puede tener la pelota en el fondo antes de que ocurra?

32. ¿Por qué es imposible la siguiente situación? Un niño travieso va a un parque de diversiones con su familia. En un juego, Prefacio después de una severa reprimenda de su madre, él se desliza fuera de su asiento y trepa a la parte superior de la estructura del juego, que tiene forma de cono con su eje vertical y sus lados inclinados, haciendo un ángulo de 5 20.0° con la horizontal como se muestra en la figura P6.32. Esta parte El problema se identifica de la estructura gira alrededor del eje central vertical cuando con se unsienta icono opera el juego. El niño en la superficie inclinada en un punto d 5 5.32 m debajo del centro del cono por el lado oblicuo del cono y está enfadado. El coeficiente de fricción estática entre el niño y el cono es 0.700. El operador del juego no se da cuenta de que el niño está lejos de su asiento y así continúa operando el juego. Como resultado, el niño senNo aparece tado, haciendo pucheros gira en ningún una trayectoria circular a una rapidez de 3.75 m/s. número en el enunciado

xiv

del problema

constante y gira el volante, ¿cuál es la distancia mínima a la que debe estar de la pared para evitar un choque? (d) ¿Cuál método, (b) o (c), es mejor para evitar una colisión? O, ¿debe usar tanto frenos como volante, o ninguno? Explique. (e) ¿La conclusión del inciso (d) depende de los valores numéricos que se proporcionan en este problema, o es verdad en general? Explique.

36. Un camión se mueve con aceleración constante a en una colina que hace un ángulo con la horizontal como en la figura P6.36.

Una pequeña esfera de masa m está suspendida desde el techo de la camioneta por un cable ligero. Si el péndulo hace un ángulo constante con la perpendicular al techo, ¿a qué es igual a?

relación con el suelo sea paralela a la pista.

Un automóvil viaja hacia el este con una rapid km/h. Gotas de lluvia caen con una rapidez const tical respecto de la Tierra. Las trazas de la lluvia e nas laterales del automóvil forman un ángulo de 6 vertical. Encuentre la velocidad de la lluvia en re

Un estudiante de ciencias en un vagón plataforma que viaja a lo largo de una pista horizontal recta co dez constante de 10.0 m/s. El estudiante lanza un aire a lo largo de una trayectoria que él juzga con inicialLa de figura 60.0° sobre la horizontal muestra sólo y está en línea La profesora del estudiante, que está de pie en el cantidades simbólicas de ahí, observa que la bola se eleva verticalmente

Figura P6.36

37. Ya que la Tierra gira en torno a su eje, un punto sobre el ecuador g(cos una tan aceleración 2 sen ) centrípeta de 0.033 7 m/s2, mienexperimenta T 36.

Un río tiene una rapidez estable de 5.00 m/s. Un

nada corriente arriba una distancia de 1.00 km y d La respuesta al problema punto de partida. (a) Si el estudiante puede nadar es totalmente simbólica dez de 1.20 m/s en aguas tranquilas, (a) ¿en cuá

hace el viaje redondo? (b) ¿Cuánto tiempo req tras que un punto en los polos no experimenta aceleración aguas están tranquilas? (c) Intuitivamente, ¿por centrípeta. Si una persona en el ecuador tiene una masa de toma más tiempo cuando hay corriente?

75.0 kg, calcule (a) la fuerza gravitacional (peso real) sobre la Los problemas guiados ayudan a los estudiantes a descomponer los problemas. Un . Un estud persona y (b) la fuerza normal (peso aparente) de la persona. d y de regreso al pu ¿Cuál es mayor?

Suponga que lapide Tierrauna es una esfera uni- física en un contexto dado. Sin problema de(c) la física generalmente cantidad tida. El estudiante puede nadar a una rapidez c en forme y considere g 5 9.800 m/s2. embargo, con frecuencia, se deben utilizar varios conceptos y se requieren una serie de, ¿en cuánto tiem u 38. Un disco de masa m1 se viaje redondo? (b) ¿Cuánto tiempo requiere si las cálculos para obtener esa respuesta final. Muchos estudiantes no están acostumbrados a une a una cuerda y se tranquilas? (c) ¿Qué intervalo de tiempo es más la m1 permite dar de vuelle este nivel de complejidad y a menudo no saben por dónde empezar. Un problema guiado Figura P6.32 R un círculo de descomponetas unenRproblema común en pasos más pequeños, permitiendo a los estudianradio sobre una mesa 33. El piloto de un avión ejecuta una maniobra de rizo con horizontal tesrapicomprender todossinlosfricción. conceptos y estrategias requeridas para llegar a una solución Usted está participando en una pasantía de ver dez constante en un círculo vertical. La rapidez del avión es El otro extremo de la correcta.

A diferencia de los problemas comunes de física, la orientación seSeincorpora a el deber de de 300 mi/h en la parte superior del rizo y 450 mi/h en la parte Guardia costera. le ha asignado cuerda pasa a través de inferior y el radio del círculo es 1 200 pies. (a) ¿Cuál esmenudo el peso dirección la que una lancha de en el del en problema. Losm2problemas guiados son unaenreminiscencia demotor de la gua un enunciado pequeño orificio aparente del piloto en el punto más bajo si su peso verdadero debe viajar para interceptar naves no identificad el centro de la mesa,interactuar y cómo podría con un profesor en unaelvisita a su oficina.

Estos es 160 lb? (b) ¿Cuál es su peso aparente en el punto más alto? un estudiante operador de radar detecta una nave no identifi una carga de masa m 2 se (c) ¿Qué pasaría si? Describa cómo experimentaría elproblemas piloto distanciaadelos 20.0estudiantes km de la instalación del radar (hay uno en12cada capítulo del texto) ayudan a entrenar a 328 Equilibrio estático y elasticidad une aCapítulo la cuerda (figura Figura P6.38 la sensación de ausencia de peso si puede variar el radio y la ción 15.0° al este del norte. La nave viaja a 26.0 km P6.38).

La carga complejos suspendescomponer problemas en una serie de problemas más simples, una habilidad rapidez. Nota: Su peso aparente es igual a la magnitud de la dirección a 40.0° al este del norte. La guardia co dida permanece en equilibrio mientras que el disco en la después de 0.110 s. ¿Cuál es la deformación promedio en lase presenta unenviar fuerza que ejerce el asiento sobre su cuerpo.

A continuación, ejemplo de1.65 un esencial paramesa resolver problemas. mproblema una lancha rápida, que viaje a 50.0 km/h, da vueltas.

Encuentre expresiones simbólicas para (a) punta de acero durante el impacto? en línea recta desde la instalación del radar para 34. Una vasija que rodea un drenaje tiene la forma de un cono la tensión en la cuerda, (b) la fuerza radial que actúa sobre guiado: e investigar la nave, y le piden la orientación que circular que se abre hacia arriba, y en todas partes tiene un el disco y (c) la rapidez del disco? (d) Describa cualitativala lancha rápida. Exprese la dirección como una ángulo de 35.0° con la horizontal. Un cubo de hielo de 25.0 PROBLEMAS ADICIONALES mente qué ocurrirá en el movimiento del disco si el valor de g se hace deslizar alrededor del cono sin fricción en un círaumentaque un descansa poco al colocar una cargatiene adicional 24. Una vigamuniforme sobre dos pivotes una sobre Fg1 Fg2 2 culo horizontal de radio R. (a) Encuentre la rapidez que debe longitudéste.

Describa quéElocurrirá en el moviL 5(e) 6.00 m y unacualitativamente masa M 5 90.0 kg. pivote bajo tener el cubo de hielo como función de R. (b) ¿Es innecesa- el extremo miento del disco si eluna valorfuerza de m 2normal disminuye al remover una izquierdo ejerce n1 sobre la S ria alguna parte de la información para la solución? Suponga viga, y el parte de la carga segundo pivote suspendida. ubicado a una distancia , 5 4.00 v que R se hace dos veces más grande. (c) ¿La rapidez requerida m del extremo izquierdo ejerce una fuerza normal n . Una Figura P12.26 2 39. deGalileo acerca la aceleración debíaizquierdo definirse como la aumenta, disminuye o permanece constante? Si cambia, ¿en mujer masa pensó m 5 55.0 kg de se si para en el extremo Se identifica el objetivo relación de cambio de la velocidad el tiempo o como qué factor? (d) ¿El tiempo requerido para cada revolución de la viga y comienza a caminar hacia laen derecha, como se la rela27. El dintel de concreto reforzado pretensado en la figur ción de cambio en velocidad eneslaencontrar distancia. la Élposición eligió la anterior, aumenta, disminuye o permanece constante? Si cambia, en indica en la figura P12.24.

El objetivo El problema se identifica P12.27 tiene 1.50 m de largo. El concreto encierra una barr así que use ellanombre para la(a) función qué factor? (e) ¿Las respuestas a los incisos (c) y (d) parecen de la mujer cuando viga se“vroomosidad” empieza a inclinar. ¿Cuál de cam- de acero reforzado con área de 1.50 cm 2 de sección tran con bio de velocidad con la distancia.

Para el movimiento de contradictorias? Explique. es el análisis delamodelo apropiado para la viga antes de que versal.ElLaanálisis barra une las placasaldeidentifilos extremos. El área de comienza una(b) partícula línea recta con aceleración Figura P4.3 35. Problema de repaso. Mientras aprende a conducir, usted está se incline? de cuerpo libre para constante, la Dibuje en un una diagrama concreto a la barra car2transversal cuál es eldel modelo deperpendicular análisis la ecuación v 5 vgravitacionales 1 at da su velocidad v como que función del sección i en un automóvil de 1 200 kg que se mueve a 20.0 m/s a través viga, marque las fuerzas y las normales 50.0 cm . El módulo de Young para el concreto es 30.0 3 1 apropiado actúan sobre la viga y coloque a la mujer a una distancia x mismo de punto, 16.0 m más en ellacamin N/m2. Después curarpero el concreto y delejos liberar tensió hacia la derecha del primer pivote, el cual es el origen. (c) marco referencia el camión, qué con original T en ladebarra, el concreto está ¿a bajo el ángulo esfuerzo d 1 6 2 ¿Dónde está la mujer cuando la fuerza normal n1 es máxima? el niño lata? (b)¿Cuánto ¿Cuál escomprime la rapidezlainicia compresión 8.00 lanza 3 10 la N/m . (a) barr (d) ¿Cuánto vale n1 cuando la viga está por inclinarse? (e) Al estudiante selibera le en cuando relaciónse con el dan camión? (c) original ¿Cuál es en la forma d al concreto la tensión la barra Utilice la ecuación 12.1 para encontrar el valor de n 2 cuando toria de nueva la de latalos como la ve (b) ¿Cuál es la tensión T2 el niño? Un observador sugerencias pasos la viga está a punto de inclinarse. (f) Empleando el resultado en la abarra? (c)para ¿Cuánto se alarga seguir resolver el 1.50 m del inciso (d) y la ecuación 12.2, con los momentos de torsión la barra respecto a su longitud sin problema calculados en torno al segundo pivote, determine la posición esfuerzo? (d) Cuando el concreto x de la mujer cuando la viga tiende a inclinarse. (g) Verifique fue vertido, ¿cuánto se alargó la la respuesta al inciso (a) mediante el cálculo de momentos de barra respecto a su longitud sin torsión alrededor del primer punto pivote.

Se pide el cálculola tensión esfuerzo? (e) Encuentre Figura P12.27 original requerida T1 el en la barra. asociado con 28. Las siguientes ecuaciones se obtienen a partir de un di objetivo grama de cuerpo libre de una puerta rectangular, sostenid por dos bisagras en el lado izquierdo. Una cubeta de gran cuelga de la puerta.

2A 1 C 5 0 1B 2 392 N 2 50.0 N 5 0 A(0) 1 B(0) 1 C(1.80 m) 2 392 N(1.50 m) 2 50.0 N(3.00 m) 5 0

Figura P12.24

(a) Dibuje el d ia g r a ma de cuer po l ibre y complete el enu ciado del problema, y especifique las incógnitas. (b) Dete 4 25. Un puente de 50.0 m de largo y 8.00 3 10 kg de masa está mine los valores de las incógnitas y establezca el significad T sostenido sobre un pilar liso en cada extremo, como se muesfísico de cada una.

4 Problemas biomédicos.

Estos problemas (indicados con un icono ) resaltan la relevantra en la figura P12.25. Un camión de masa 3.00 3 10 kg de 29. Un oso hambriento que pesa 700 N camina hacia afuera d masaprincipios se ubica a 15.0de m de extremo. ¿Cuáles son las fuerzas que toman este curso que se especialicia de los laun física para los estudiantes una viga en un intento por recuperar una canasta de golos sobre el puente en los puntos de soporte? nas que cuelga en el extremo de la viga (figura P12.29). L zan en una de las Ciencias de la vida. viga es uniforme, pesa 200 N, tiene 6.00 m de largo y es so tenida por un alambre a un ángulo de 5 60.0 o. La canas pesa 80.0 N. (a) Dibuje un diagrama de cuerpo libre para viga. (b) Cuando el oso está en x 5 1.00 m, encuentre la te sión en el alambre sosteniendo la viga y las componentes d A B la fuerza ejercida por la pared sobre el extremo izquierd

dez de 50.0 ante en veren las venta60.0° con la elación con

a de un tren on una rapina bola en el n un ángulo a con la vía. suelo cerca e. ¿Qué tan

n estudiante de regreso al r a una rapiánto tiempo quiere si las r qué nadar

diante nada unto de paraguas tranmpo hace el aguas están argo? Expli-

rano con la eterminar la rdia costera das. Un día, icada a una en la direcm/h en una ostera desea , para viajar interceptar debe tomar orientación

ra ra nsla 33 es 109 no. ón (a) En el n la vertical de al ra de la lata de a? la trayecr en el suelo

iada no

unerdo

de siLa ossta la ende do

PROBLEMAS ADICIONALES 34. Una bola en el extremo de una cuerda gira alrededor en un círculo horizontal de radio 0.300 m. El plano del círculo está a 1.20 m arriba del suelo. La cuerda se rompe y la bola aterriza a 2.00 m (horizontalmente) alejándose del punto sobre el suelo directamente debajo de la ubicación de la bola cuando de s e ro mpe la cuerda. EncLa ueninvestigación t re la aceler ación ren adiafísica l Problemas imposibilidad. se ha centrado en gran medida en de la pelota durante su movimiento circular. las habilidades de los estudiantes para la resolución de problemas. Aunque la mayoría de 35. ¿Por qué es imposible la siguiente situación? Un adulto de prolos problemas en este libro están estructurados porciones normales camina enérgicamente a lo largo de unaen forma de proporcionar datos y pedir línea recta dirección de dos 1 x, problemas parado y sosteniendo su capítulo, en promedio, se estructuran el cálculo de en unlaresultado, por cada brazo derecho vertical y junto a su cuerpo para que el brazo comonoproblemas de imposibilidad.

Comienzan con la frase ¿Por qué es imposible la siguiente se balancee. Su mano derecha sostiene una pelota a su lado a una distancia h arriba deldescripción piso. Cuando la de pelota pasa por situación?

Seguida de la una situación.

El aspecto sorprendente de estos encima de un punto marcado como x 5 0 en el piso horizonproblemas es que no se hace una pregunta a los estudiantes, excepto la que aparece en tal, abre los dedos para soltar la bola a partir del reposo en cursivas al con inicio.

El estudiante determinar relación su mano.

La pelota pega debe en el suelo por primera las preguntas que se tienen que hacer y vez en la posición x 5 7.00h. qué cálculos se deben realizar. Con base en los resultados de estos cálculos, el estudiante ⁄ 36. Una partícula parte del origen con velocidad 5i en t 5 0 y se debe determinar por qué la situación descrita no es posible. Esta determinación puede mueve en el plano xy con una aceleración variable dada por ⁄ S S requerir deenlametros experiencia personal, a 5 s6información por segundo cuadrado y sentido común, de internet o de investiÏt j d, donde a está t está en s. (a) Determine el vector velocidad de la partícula gación impresa, la medición, las habilidades matemáticas, el conocimiento de las normas como función del tiempo. (b) Determine la posición de la humanas o como el pensamiento científico. partícula función del tiempo ⁄ ⁄ 2 2.00j d m/s2, problemas se acelera pueden asignar desarrollar habilidades de pensamiento crítico 37.Estos Lisa en su Lamborghini a razón de s3.00ipara ⁄ ⁄ mientras que Jill en su Jaguar acelera a s1.00i 1 3.00j d m/s2. el aspecto de “misterios” de la física que en los estudiantes. También son divertidos, tienen Ambas empiezan a partir del reposo en el origen de un sishay que por parte de los de forma temaresolver de coordenadas xy. Después de alumnos 5.00 s, (a) ¿Cuál es la individual o en grupos. Un ejemplo de rapidez de de Lisa con respecto a Jill, ¿A qué distancia están, problema imposibilidad se (b) presenta a continuación: y (c) ¿Cuál es la aceleración de Lisa relativa a Jill?

38. Un chico le tira una piedra horizontalmente desde la cima de un acantilado de altura h hacia el océano. La piedra golpea La frase inicial en cursivas el océano a una distancia d desde indica la base del acantilado. En un problema deencuentre imposibilidad términos de h, d y g, expresiones para el tiempo t en que la piedra cae en el océano, (b) la rapidez inicial de la piedra, (c) la rapidez de la piedra justo antes de que llegue al océano y (d) la dirección de la velocidad de la piedra justo antes de que llegue al océano.

Se describe una 39. ¿Por qué es imposible la siguiente situación? Albert Pujols hace situación un jonrón, de forma que la pelota libra la fila superior de las gradas, 24.0 m de altura, situada a 130 m de la base de home.

La bola es golpeada a 41.7 m/s en un ángulo de 35.0° con la horizontal, y la resistencia del aire es despreciable.

40. Mientras algún metal fundido salpica, una gota vuela hacia el No se formulan preguntas. El este con velocidad inicial vi a un ángulo i sobre la horizontal estudiante debe determinar qué y otra gota vuela hacia el oeste con la misma rapidez al mismo ángulo sobre la horizontal, como se muestra en la figura necesita para los cálculos y por P4.40. En términos de vi y i , encuentre la distancia entre las qué la situación es imposible. gotas como función del tiempo.

Problemas dobles. Estos problemas son idénticos, uno pidiendo una solución numérica y otro una deducción simbólica.

Hay al menos tres pares de estos problemas en la mayoría S S vi vi de los capítulos indicados por un sombreado azul claro, en los conjuntos de problemas de ui ui fin de capítulo.

Problemas de repaso. Figura Muchos capítulos incluyen problemas de repaso que requieren que P4.40 el estudiante combine conceptos cubiertos en el capítulo con los que se explicaron en capítulos anteriores. Estos problemas (indicados como problemas de repaso) reflejan la naturaleza cohesiva de los principios en el libro y verifican que la física no es un conjunto de ideas dispersas. Cuando se observan problemas del mundo real como el calentamiento global o las armas nucleares, puede ser necesario invocar ideas físicas de varias partes de un libro como este.

Problemas “Fermi” o que parecen imposibles. En la mayoría de los capítulos se plantea al estudiante uno o más problemas donde debe razonar en términos de orden y magnitud.

Problemas de diseño. Varios capítulos contienen problemas que le solicitan al estudiante determinar parámetros de diseño para un dispositivo practico, de modo que pueda funcionar como se requiere.

Problemas basados en cálculo. Todos los capítulos contienen al menos un problema que aplica ideas y métodos del cálculo diferencial y un problema que usa cálculo integral.

Ilustraciones. Cada ilustración en la décima edición es de estilo moderno que ayuda a expresar los principios de la física en el trabajo de una manera clara y precisa. Se incluyen punteros de enfoque en muchas figuras del texto; estos señalan aspectos importantes de una figura o guían a los estudiantes a través de un proceso ilustrado por la fotografía o las ilustraciones. Este formato ayuda a los estudiantes que están aprendiendo de forma más visual. Un ejemplo de figura con un puntero de enfoque se presenta en la figura siguiente.

Prefacio

xv

xx Prefacio Capítulo en dos dimensiones xvi4 Movimiento Prefacio

70

y Dirección S de v en S

r3

S

r2

edida que una e entre dos punpromedio está el vector despladefinición, la ánea en se de la recta tann .

ción promedio a ecuación 2.9)

n instantánea a ecuación 2.10)

DE RIESGOS

Como se menulo 3, la adición e aplicar a cualidad vectorial. gura 4.3 muestra ores velocidad todo gráfico.

Conforme el extremo final de la trayectoria se mueve de a ’ a ’’, los desplazamientos respectivos y los correspondientes intervalos de tiempo serán cada vez más pequeños.

S

r1

Figura 4.2

Conforme el punto final tiende a , t tiende a cero y la dirección S de r tiende a la de la recta tangente a la curva en .

O

Capítulo 4 Movimient

x

A medida que una partícula se mueve entre dos puntos, su velocidad promedio está en la dirección del vector desplaS zamiento D r . Por definición, la velocidad instantánea en se dirige a lo largo de la recta tangente a la curva en .

Esto es, la velocidad instantánea en el punto es igual a la derivada del vector de posiApéndice matemático.

Elapéndice apéndice matemático (apéndice B), una unainsvaliosa herramienta herramienta para para ción respecto del tiempo, evaluada en el punto . La dirección del (Apéndice vector velocidad Apéndice matemático.

El matemático B), valiosa los estudiantes se actualizó para mostrar las herramientas matemáticas en un contexto tantánea en cualquier los punto en la trayectoria de una partícula a lo largo de unamatemáticas recta estudiantes se actualizó para mostrareslas herramientas en un contexto físico.

Este recurso recurso es ideal ideal para los losdel estudiantes que necesitan necesitan un un repaso repaso rápido rápido acerca acerca de de tangente a la trayectoria en dicho punto y es en la dirección movimiento. físico.

Este para estudiantes que S temas como álgebra, trigonometría y cálculo. de una partícula se llama rapidez La magnitud del vector velocidad instantánea v 5 u v u temas tales como álgebra, trigonometría y cálculo. de la partícula, que es una cantidad escalar.

Características útiles Cuando una partícula se mueve de un punto a otro a lo largo de cierta trayectoria, su Características útiles tiempocomprensión, ti a S . Conocer la vector velocidad instantánea de S vi enlaelrápida vf en el tiempo Estilo. cambia Para facilitar hemos tfescrito el libro en un estilo claro, Estilo.

Para facilitar la rápida comprensión, hemos el libro en un yestilo claro, velocidad en dichos puntos determinar la un aceleración deescrito la lógicopermite y atractivo.

Elegimos estilo de promedio escritura que espartícula. un poco informal relajado, de S lógico yque atractivo.

Elegimos undefine estilo como deelescritura que en esyun poco informal y relajado, de delosuna partícula se el cambio su vector La aceleración promedio a prom modo estudiantes encontrarán texto atractivo agradable para leer.

Los nuevos S modo quese losdefinen estudiantes encontraran texto atractivo yuso agradable para leer.

Los nuevos entre el cuidadosamente intervalo de tiempo Dt durante elelque ocurre velocidad instantánea D v dividido términos yel hemos evitado de vocabulario especial. términos se definen cuidadosamente y hemos evitado el uso de vocabulario especial. dicho cambio: Definiciones y ecuaciones importantes.

Las definiciones más importantes se ponen en negriS S vf 2 S v i deLas Definiciones y ecuaciones definiciones másénfasis importantes se ponen en negriD una v importantes. tas o se resaltan con pantalla fondo para dar más y facilitar la revisión.

S a promcon ; una 5pantalla de fondo para dar más énfasis (4.4) Aceleración promedio tas De o seigual resaltan y facilitar la revisión. modo, las pantalla para facilitar Dt ecuaciones tf 2 ti importantes se resaltan con una (Compare con la ecuación 2.9) igual modo, las ecuaciones importantes se resaltan con una pantalla para facilitar su De ubicación. su ubicación.

Puesto que S proporción de una vectorial y una cantidad DS v que a prom es la Notas al margen.

Loscantidad comentarios y notas aparecen en escalar el margen con un icono u se positiva Dt, se concluyeNotas que laalaceleración promedio es una cantidad dirigida a lo margen. comentarios y notas quevectorial aparecen en el importantes margen con en unelicono pueden usar paraLos ubicar enunciados, ecuaciones y conceptos texto.u se S S S indica en la figura 4.3, el vector es la diferencia del vector yS largo de D v . Como se pueden v vi v usar para ubicar enunciados, ecuaciones y conceptos importantes en el texto. f Uso pedagógico del color. Los lectores deben consultar la carta pedagógica de color (al el vector, DS v 5S vf 2 S v i. inicio del libro)del para unaLos listalectores de los símbolos en color la que se usan en los diagramas del Uso pedagógico color. consultar pedagógica de color (al Cuando la aceleración promedio de una partícula cambia deben en el transcurso de carta diferentexto. del Estelibro) sistema se una usa consistentemente en todas las partes del texto. inicio para lista de los símbolos en color que se usan en los diagramas del tes intervalos de tiempo, es útil definir su aceleración instantánea. La aceleración instanS Estelímite sistema se usa consistentemente en manera todas lasgradual, partes texto. en mente que los Nivel matemático. de teniendo el valor de Introducimos la función conforme Dt tiende a cero:del tánea S D v el yDtcálculo a se define comotexto. estudiantes con frecuencia toman cursos introductorios de cálculo y física Nivel matemático.

Introducimos el cálculo de manera gradual, teniendo en simultáneamente que mente.

La mayoría se muestra se desarrollan ecuaciones dS v toman DS vlas etapas los estudiantes frecuencia cursos cuando introductorios de cálculo y física básicas simultá-y S con de (4.5) 5 a ;selim Aceleración instantánea con frecuencia hace referencia a los apéndices matemáticos cerca del final del texto.

Dt S 0 Dt neamente. La mayoría de lasdtetapas se muestra cuando se desarrollan ecuaciones básicas, (Compare con la ecuación 2.10) yCifras con frecuencia se hace a los apéndices cercatrabajados del final del texto. significativas.

Las referencia cifras significativas, tantomatemáticos en los ejemplos como en Aunque losinstantánea vectores analizados en el capítulo 3,cuidado. losvelocidad productos vectoriales introEn otras palabras, la aceleración igual a se la manejaron derivada delcon vector los problemas de fin son deescapítulo, La mayoría de los se ejemplos más adelante el texto, donde se significativas, necesitan en aplicaciones producto respecto del tiempo. ducen numéricos se trabajaen a dos o a tres cifras dependiendofísicas. de la El precisión de punto se introduce en el capítulo 7, que aborda la energía de un sistema; el producto cruz Pueden ocurrir varios cambios cuando una partícula se acelera.

En primer lugar, la los datos proporcionados. Los problemas de fin de capítulo por lo regular establecen se introduce en el capítulo 11, que seprecisión. relaciona con movimiento angular. magnitud del vector velocidad (rapidez) puede con el tiempo como en unde movidatos y respuestas a tres cambiar dígitos de En lacantidad realización de los cálculos de estimamiento rectilíneo unidimensional.

En segundo lugar, la dirección del vector de velocidad ción se suele trabajar con una sola cifra significativa.

Cifras significativas. Las cifras significativas, tanto en los ejemplos trabajados como en puede cambiar con el tiempo, incluso si su magnitud rapidez se mantiene constante como los problemas fin de se manejaron con cuidado. de Launidades mayoría de A lode delcapítulo, texto usa el sistema internacional (si).los ejemplos en el movimiento de dosUnidades. dimensiones alargo lo largo de unasetrayectoria curva.

Por último, tanto numéricos se trabaja a dos o a tres cifras significativas, dependiendo de la precisión de los la magnitud como la dirección dely vector puede cambiar de forma simultánea. varios apéndices. La Apéndices Notas velocidad finales. al final se proporcionan datos proporcionados.

LosCasi problemas dedel fintexto de capítulo por lo regular establecen datos ma yoría del material de los apéndices representa un repaso matey respuestas a tres dígitos de precisión. En la realización de de los conceptos cálculos dey técnicas estimación se yincluidos notación científica, PREVENCIÓN máticas aplicadas en el texto, álgebra, geometría, trigonoDE RIESGOS suele trabajar con una sola cifra significativa. (Se puede encontrar más acerca del análisis S OCULTOS 4.1 se hace refemetría, diferencial y cálculo1,integral.

En todas las partes del texto vi de cifrascálculo significativas en el capítulo paginas 13-15.) rencia a estos apéndices. La mayor parte de las secciones Sde repaso matemático en los Suma vectorial Como se menvcionó en los el capítulo la sistema adición ide unidades Unidades. lo largoejemplos del textoyse usa el sistema internacional (SI).3,El apéndices Aincluyen ejercicios con respuestas.

Además de repasos matemátiS vectorial a cualS se puede estadounidense de contienen unidades usuales sólo se usa en vuna medida limitada enyaplicar los ffactores cos, los apéndices tablas de datos físicos, de conversión las capítulos unidades ri S v S Figura 4.3 Una partículasobre se mueve de la posición a f quier tipo de cantidad vectorial. rf tabla periódica vde mecánica y termodinámica.

S físicas, así como una S del SI de cantidades los elementos.

Otra informala posición . Su vector velocidad cambia de v i a vf . Los Por ejemplo, la figura 4.3 muestra ción útil (constantes fundamentales y datos físicos, datos planetarios, una lista de prefijos diagramas vectoriales a la derecha muestran dosfinales. como la adiciónvarios de vectores velocidadLa Apéndices y Notas Casi al final del texto se proporcionan apéndices.

S estándar, símbolos matemáticos, el alfabeto griego y abreviaturas estándar de unidades de determinar el vector D v dema lasyoría velocidades inicial y final. con el uso del método gráfico. xconceptos del material de los apéndices representa un repaso de y técnicas mateO medición) aparecen en las páginas finales del libro.

Esto es ción re tantán tangen La m de la p Cua vector velocid La ace velocid dicho

Puesto positiv largo d el vect Cua tes inte tánea S

En otr respec Pue magni miento puede en el m la mag

Figura

la posic diagram determi

Prefacio

Recursos adicionales Esta obra cuenta con recursos adicionales. Para mayor información, consulte a su representante local.

Reconocimientos Esta décima edición de Física. Electricidad y magnetismo se preparó con la guía y asistencia de muchos profesores que revisaron selecciones del manuscrito, la revisión previa del texto o ambos. Queremos agradecer a los siguientes académicos y expresar nuestro sincero aprecio por sus sugerencias, críticas y aliento:

John F. DiTusa, Louisiana State University; Hani Dulli, Texas Tech University; Eric Hudson, Pennsylvania State University; David Joffe, Kennesaw State University; Yibin Pan, University of Wisconsin-Madison; Mark Rzchowski, University of Wisconsin-Madison; Joseph Scanio, University of Cincinnati; Brian Utter, Bucknell University Durante nuestro trabajo en esta revisión, trabajamos con socios de desarrollo para ayudarnos a determinar el curso de la revisión; Quisiéramos agradecerles:

Tom Barrett, The Ohio State University; Ken Bolland, The Ohio State University; Colleen Countryman, North Carolina State University; Dawn Hollenbeck, Rochester Institute of Technology; Kathleen Koenig, University of Cincinnati; David Lamp, Texas Tech University; Rafael Lopez-Mobilia, The University of Texas at San Antonio; Yibin Pan, University of Wisconsin-Madison; Chandralekha Singh, University of Pittsburgh; Michael Thackston, Kennesaw State University; Michael Ziegler, The Ohio State University Antes de nuestro trabajo en esta revisión, realizamos una encuesta de profesores; su retroalimentación y sugerencias ayudaron a dar forma a esta revisión, por lo que quisiéramos agradecer a los participantes de la encuesta: Steve Alexander, Southwestern University; Sanjeev Arora, Fort Valley State University; Erik Aver, Gonzaga University; David Berube, Loyola Marymount University; Muhammad Bhatti, The University of Texas Rio Grande Valley; Jeffrey Bierman, Gonzaga University; Ken Bolland, The Ohio State University; John Bulman, Loyola Marymount University; Hani Dulli, Texas Tech University; Eric Hudson, Pennsylvania State University; Satyanaraya Kachiraju, The University of Texas Rio Grande Valley; Brent McDaniel, Kennesaw State University; Lisa Paulius, Western Michigan University; Linh Pham, University of San Diego; Charles Ruggiero, The Ohio State University at Marion; Mackay Salley, Wofford College; Jeff Sanny, Loyola Marymount University; Joseph Scanio, University of Cincinnati; Jeffrey Schwartz, University of California en Los Angeles; Amit Sharma, Wright State University; Mark Spraker, University of North Georgia; Anthony Teate, James Madison University; Lih-Sin The, Clemson University.

Este título fue cuidadosamente revisado por la precisión de Michael faux, Universidad de SUNY en Oneonta. Le agradecemos por sus diligentes esfuerzos bajo la presión del programa.

Belal Abas, Zinoviy Akkerman, Eric Boyd, Hal Falk, Melanie Martin, Steve McCauley, y Glenn Stracher correcciones a problemas tomados de ediciones anteriores.

Agradecimiento especial y reconocimiento al equipo profesional en Cengage en particular, Rebecca Berardy Schwartz, Michael Jacobs, Ed Dodd, Tanya Nigh, Teresa Trego, Lorreen Towle, Tom Ziolkowski, Cate Barr, y Caitlin Ghegan por su buen trabajo durante el desarrollo, producción y promoción de este libro de texto. Reconocemos el servicio de producción calificado y las ilustraciones excelentes proporcionadas por Ed Dionne y el personal de MPS Limited y la dedicada investigación de imágenes y textos de Cheryl Du Bois y Ragu Veeraragavan, respectivamente.

Por último, estamos profundamente en deuda con nuestras esposas, hijos y nietos por su amor, apoyo y sacrificios a largo plazo.

Raymond A. Serway St. Petersburg, Florida John W. Jewett, Jr. Anaheim, California

xvii

Al estudiante

E

s apropiado ofrecer algunas palabras de consejo que deben ser de beneficio para el estudiante. Antes de hacerlo, suponemos que ha leído el Prefacio, que describe las diferentes características del texto y materiales de apoyo que le ayudarán a lo largo del curso.

Cómo estudiar Con frecuencia preguntan a los docentes: “¿Cómo debo estudiar física y prepararme para los exámenes?”. No hay una respuesta simple a esta pregunta, pero podemos ofrecer algunas sugerencias de acuerdo con nuestra experiencia en el aprendizaje y enseñanza a través de los años.

Ante todo, mantenga una actitud positiva hacia el tema de estudio, considerando que la física es la más esencial de todas las ciencias naturales. Otros cursos de ciencia que siguen usaran los mismos principios físicos, de modo que es importante que entienda y sea capaz de aplicar los diversos conceptos y teorías explicadas en el libro.

Conceptos y principios Es esencial que entienda los conceptos y principios básicos antes de intentar resolver los problemas asignados. Esta meta la puede lograr al leer con cuidado el texto antes de asistir a su clase acerca del material cubierto. Cuando lea el texto, debe anotar aquellos puntos que no sean claros. También haga un intento diligente por responder los Exámenes rápidos, conforme los encuentra en su lectura. Hemos trabajado duro para preparar preguntas que le ayuden a juzgar por sí mismo qué tan bien entiende el material. Estudie cuidadosamente las preguntas ¿Qué pasaría sí? que aparecen en muchos de los ejemplos trabajados. Ellas le ayudarán a extender su comprensión más allá del simple acto de llegar a un resultado numérico. Las Prevenciones de riesgos ocultos también le ayudarán a alejarse de las malas interpretaciones comunes con respecto a la física. Durante la clase tome notas y pregunte acerca de aquellas ideas que no le sean claras. Considere que pocas personas son capaces de absorber todo el significado del material científico después de sólo una lectura; pueden ser necesarias muchas lecturas del texto y sus notas. Sus clases y trabajo de laboratorio complementan la lectura del libro y deben clarificar algo del material más difícil. Debe minimizar su memorización del material. La memorización exitosa de pasajes del texto, ecuaciones y deducciones no necesariamente indican que comprende el material. Su comprensión del material mejorará mediante la combinación de hábitos eficientes de estudio, discusiones con otros estudiantes y con docentes, y su habilidad para resolver los problemas que se presentan en el libro. Pregunte siempre que crea que es necesario aclarar un concepto.

Agenda de estudio

xviii

Es importante que configure una agenda de estudio regular, de preferencia que sea diaria.

Asegúrese de leer el programa de estudio del curso y que éste coincide con el calendario establecido por el instructor. Las clases tendrán mucho más sentido si lee el texto correspondiente antes de asistir a ellas. Como regla general, debe dedicar aproximadamente dos horas de tiempo de estudio por cada hora que esté en clase. Si tiene problemas con el curso, busque el consejo del instructor u otros estudiantes que hayan tomado el curso.

Puede ser necesario buscar más instrucción de estudiantes experimentados. Con mucha frecuencia, los docentes ofrecen sesiones de repaso, además de los periodos de clase regulares. Evite la práctica de demorar el estudio hasta un día o dos antes de un examen.

Por lo general, este enfoque tiene resultados desastrosos. En lugar de emprender una sesión de estudio de toda la noche antes del examen, repase brevemente los conceptos y ecuaciones básicos, y luego tenga una buena noche de descanso.

Usted puede comprar cualquier producto Cengage Learning en inglés en nuestra tienda online CengageBrain.com.

Al estudiante

xix

Use las características Debe usar por completo las diferentes características del texto explicadas en el Prefacio.

Por ejemplo, las notas al margen son útiles para localizar y describir ecuaciones y conceptos importantes, y las negritas indican enunciados y definiciones importantes. En los apéndices hay muchas tablas útiles, pero la mayoría se incorpora al texto, donde su referencia es útil. El apéndice B es un repaso conveniente de técnicas matemáticas.

Las respuestas a los exámenes rápidos y a los problemas con número impar se proporcionan al final del libro, las respuestas a los exámenes rápidos se ubican al final de cada capítulo La tabla de contenido proporciona un panorama de todo el texto y el índice le permite ubicar rápidamente material específico. En ocasiones se usan notas a pie de página para complementar el texto o citar otras referencias acerca del tema explicado.

Después de leer un capítulo debe ser capaz de definir cualquier cantidad nueva introducida en dicho capítulo y explicar los principios y suposiciones que se usaron para llegar a ciertas relaciones clave. Los resúmenes de capítulo y las secciones de repaso le ayudan a este respecto. En algunos casos puede encontrar necesario remitirse al índice del libro para ubicar ciertos temas. Debe ser capaz de asociar a cada cantidad física el símbolo correcto para representar dicha cantidad y la unidad en que se especifica la cantidad.

Además, debe ser capaz de expresar cada ecuación importante en prosa concisa y exacta.

Resolución de problemas R. P. Feynman, laureado Nobel en física, dijo una vez: “No sabes nada hasta que lo has practicado.” Para estar de acuerdo con este enunciado, le recomendamos encarecidamente que desarrolle las habilidades necesarias para resolver una amplia serie de problemas. Su habilidad para resolver problemas será una de las principales pruebas de su conocimiento en física; por tanto, debe intentar resolver tantos problemas como sea posible.

Es esencial que comprenda los conceptos y principios básicos antes de intentar resolver problemas. Es buena práctica intentar encontrar soluciones alternas al mismo problema.

Por ejemplo, puede resolver problemas en mecánica usando las leyes de Newton, pero con mucha frecuencia un método alternativo que se apoye en consideraciones sobre la energía es más directo. No debe engañarse y creer que entiende un problema simplemente porque ha visto como se resolvió en clase. Debe ser capaz de resolver el problema y problemas similares por cuenta propia.

El enfoque para resolver problemas se debe planear cuidadosamente. Un plan sistemático es especialmente importante cuando un problema involucra muchos conceptos.

Primero, lea el problema muchas veces hasta que esté seguro de que entiende qué se pide.

Busque palabras clave que le ayuden a interpretar el problema y tal vez le posibiliten la formulación de ciertas suposiciones. Su habilidad para interpretar adecuadamente una pregunta es una parte integral de la resolución del problema. Segundo, debe adquirir el hábito de escribir la información conocida en un problema y aquellas cantidades que necesite encontrar; por ejemplo, puede construir una tabla que mencione tanto las cantidades conocidas como las cantidades a encontrar. Este procedimiento se usa a veces en los ejemplos trabajados del libro. Por último, después de decidir el método que considere apropiado para un problema determinado, proceda con su solución. La Estrategia General para Resolver Problemas le guiará a través de problemas complejos. Si sigue las etapas de este procedimiento (Conceptualizar, Categorizar, Analizar, Finalizar), le será más fácil llegar a una solución y ganará más por sus esfuerzos. Dicha estrategia se usa en todos los ejemplos en los capítulos restantes, de modo que puede aprender cómo aplicarla. En el texto se incluyen estrategias específicas para resolución de problemas para ciertos tipos de situaciones y aparecen con un encabezado especial. Dichas estrategias específicas siguen el esbozo del enfoque del Modelo de análisis para resolver problemas.

Con frecuencia los estudiantes fracasan en el reconocimiento de las limitaciones de ciertas ecuaciones o leyes físicas en una situación particular. Es muy importante que entienda y recuerde las suposiciones que subyacen a una teoría o formalismo particular.

xix

xx

Al estudiante Por ejemplo, ciertas ecuaciones en cinemática sólo se aplican a una partícula en movimiento con aceleración constante. Estas ecuaciones no son válidas para describir el movimiento cuya aceleración no sea constante, como el movimiento de un objeto conectado a un resorte o el movimiento de un objeto a través de un fluido. Estudie cuidadosamente los modelos de análisis para resolver problemas en los resúmenes de capítulo, de modo que sepa cómo se aplica cada modelo a una situación específica. Los modelos de análisis le proporcionan una estructura lógica para resolver problemas y ayudan a desarrollar sus habilidades de pensamiento para ser más como los de un físico. Utilice el enfoque del modelo de análisis para ahorrar horas de búsqueda de la ecuación correcta y para hacer de usted un solucionador de problemas más rápido y eficiente.

Experimentos La física es una ciencia que se apoya en observaciones experimentales. Por tanto, recomendamos que intente complementar el texto, realizando varios tipos de experimentos “prácticos”, en casa o en el laboratorio. Estos experimentos se pueden usar para poner a prueba ideas y modelos explicados en clase o en el libro. Por ejemplo, el juguete común Slinky es excelente para estudiar ondas viajeras, una bola que se balancea en el extremo de una cuerda larga se puede usar para investigar el movimiento pendular, diferentes masas unidas al extremo de un resorte o banda de goma vertical se pueden usar para determinar su naturaleza elástica, un viejo par de lentes de sol y algunos lentes de desecho y una lupa son los componentes de diferentes experimentos en óptica, y una medida aproximada de la aceleración en caída libre se puede determinar simplemente al medir con un cronómetro el tiempo que una bola tarda en caer desde una altura conocida. La lista de tales experimentos es interminable. Cuando no estén disponibles los modelos físicos, sea imaginativo e intente desarrollar los suyos por cuenta propia.

El científico no estudia la naturaleza porque sea útil; la estudia porque se deleita en ella y se deleita en ella porque es hermosa. Si la naturaleza no fuera hermosa, no valdría la pena conocerla, y si no valiera la pena conocer la naturaleza, no valdría la pena vivir la vida.

—Henri PoincaréI

Física

Electricidad y magnetismo DÉCIMA EDICIÓN

Electricidad y magnetismo Ahora estudiará la rama de la física que se ocupa de los fenómenos eléctricos y magnéticos. En esta obra, nos centraremos en el término TET, que representa la transferencia de energía por transmisión eléctrica. En el último capítulo, presentaremos la física detrás del término TER para la radiación electromagnética. Las leyes de la electricidad y del magnetismo desempeñan un papel muy importante en el funcionamiento de dispositivos como teléfonos inteligentes, televisiones, motores eléctricos, computadoras, aceleradores de alta energía y otros aparatos electrónicos. Incluso, en su forma más básica, las fuerzas interatómicas e intermoleculares responsables de la formación de sólidos y líquidos son, en su origen, eléctricas. A su vez, las fuerzas eléctricas son la base de la ciencia de la química y son responsables del desarrollo de los organismos biológicos. Por tanto, la gravedad juega un papel en la naturaleza al permitir que los planetas existan, ¡pero la vida en ese planeta se debe a la electricidad!

No fue sino hasta principios del siglo XIX que los científicos llegaron a la conclusión de que la electricidad y el magnetismo son fenómenos relacionados. En 1819, Hans Oersted descubrió que la aguja de la brújula se desvía si se coloca cerca de un circuito por el que se conduce una corriente eléctrica.

En 1831, Michael Faraday y, en forma simultánea, Joseph Henry, demostraron que cuando se pone en movimiento un alambre cerca de un imán (o, de manera equivalente, cuando un imán se mueve cerca de un alambre), se establece una corriente eléctrica en dicho alambre. En 1873, James Clerk Maxwell aprovechó estas observaciones junto con otros experimentos para sustentar las leyes del electromagnetismo como se conocen hoy día. (Electromagnetismo es el nombre que se le da al estudio conjunto de la electricidad y del magnetismo.)

La contribución de Maxwell en el campo del electromagnetismo fue de especial relevancia, porque las leyes que formuló son fundamentales para explicar todas las formas de fenómenos electromagnéticos. Su trabajo tiene tanta importancia como las leyes del movimiento y la teoría de la gravitación universal. ■

Un tren de maglev Transrapid se detiene en una estación en Shanghai, China. La palabra maglev es una forma abreviada de levitación magnética . Este tren no tiene contacto físico con sus rieles, y su peso está totalmente apoyado por las fuerzas electromagnéticas. En este libro, estudiaremos estas fuerzas. (Lee Prince/Shutterstock )

1

1

Campos eléctricos

Un huevo tiene impresos números sobre él. ¿Cómo imprimirías sobre un huevo? (Starstuff/Shutterstock)

1.1

Propiedades de las cargas eléctricas

1.2

Objetos cargados mediante inducción

1.3

Ley de Coulomb

1.4

Análisis del modelo: Partícula en un campo eléctrico

1.5

Líneas de campo eléctrico

1.6

Movimiento de una partícula cargada en un campo eléctrico uniforme

IMAGINE Aprovechando una visita de fin de semana a la familia, usted ha lavado y secado su ropa y está retirando la ropa de la secadora. Nota que sus calcetines parecen estar pegados a sus camisas. Incluso sacudir la camisa no sacará los calcetines. Cuando quite los calcetines de la camisa, se desprenden con un crujido.

Mientras lleva su ropa seca a su habitación, se pregunta por qué ocurrieron esos efectos. Todavía está intrigado mientras se peina en el baño. Abre la llave e involuntariamente sostiene el peine que acaba de usar junto a la corriente de agua. ¡La corriente de agua se dobla hacia un lado, hacia el peine! Mueve el peine a diferentes posiciones y observa que la corriente de agua se desvía hacia el lado en diferentes valores. Su padre deambula mientras hace esto y dice: “Esa es exactamente la técnica que utilizamos en el diseño de nuestras impresoras de fabricación de alta velocidad. Ve a ver las latas de comida en la cocina. ¿Cómo crees que las fechas de vencimiento están impresas en las latas? Aún más fascinante, ¿cómo imprimimos números de código en los huevos?”. Nunca entendió lo que hace su padre para ganarse la vida, pero ahora está bastante intrigado. Sabe que diseña algún tipo de impresora industrial. Le pregunta qué significa el experimento del baño. Él le dice que investigue en línea sobre la impresión continua de inyección de tinta.

CONEXIONES En nuestros capítulos anteriores sobre mecánica, identificamos varios tipos de fuerzas: fuerzas normales perpendiculares a las superficies, fuerzas de fricción paralelas a las superficies, fuerzas de tensión a lo largo de las cuerdas, fuerzas gravitatorias en los planetas, etc. Entre ellas, la fuerza de gravedad, es única, ya que es una fuerza fundamental en la naturaleza. Resulta que las otras fuerzas en esta lista se deben a un segundo tipo de fuerza fundamental, la fuerza electromagnética. En este capítulo, comenzaremos nuestro estudio de una manifestación de esta fuerza, la fuerza eléctrica.

2

1.1 Propiedades de las cargas eléctricas Nuestra comprensión de la fuerza gravitacional desarrollada de acuerdo con una estructura conceptual que construimos: aprendimos que la fuerza existe entre los objetos con masa. Luego desarrollamos una ley matemática, la ley de gravitación universal de Newton, para describir la magnitud de la fuerza. Luego presentamos la noción de un campo gravitacional y estudiamos la energía potencial gravitacional en un sistema de dos o más objetos masivos. Seguiremos un desarrollo conceptual similar en nuestro estudio de la fuerza eléctrica. Aprenderemos que la fuerza existe entre objetos con carga eléctrica. Desarrollaremos una ley matemática, la ley de Coulomb, para describir la magnitud de la fuerza. Introduciremos la noción de un campo eléctrico y discutiremos la energía potencial eléctrica en un sistema de dos o más objetos cargados. A medida que continuemos estudiando la fuerza eléctrica en los próximos capítulos, descubriremos que tenemos mucho más control sobre esta fuerza que sobre la gravedad. Las fuentes de gravedad se restringen a una forma: la forma esférica de los planetas y las estrellas (con la excepción de pequeños asteroides y lunas que pueden desviarse ligeramente de las esferas). Por otro lado, podemos formular diversas formas para situaciones eléctricas: esferas, placas, cables y cosas por el estilo. Los objetos que se mueven en campos gravitacionales son enormes y masivos; no podemos controlar su movimiento. Los objetos que se mueven en campos eléctricos pueden ser tan pequeños como los electrones; ¡podemos cambiar su movimiento fácilmente!

No tenemos control sobre la gravedad; siempre está ahí. ¡Pero podemos encender y apagar la electricidad! No podemos ajustar la fuerza del campo gravedad de la Tierra. ¡Pero podemos girar fácilmente un selector para cambiar la fuerza de un campo eléctrico! La gravedad está en todas partes, dentro y fuera de todo. ¡Pero algunos materiales conducen electricidad y otros no! ¡Y podemos crear regiones de espacio libres de campos eléctricos con bastante facilidad! Este tipo de control que tenemos sobre la electricidad lo convierte en la base de nuestra sociedad tecnológica. Los fenómenos asociados con las cargas eléctricas aparecerán repetidamente en la mayoría de los capítulos restantes de este libro.

1.1 Propiedades de las cargas eléctricas

a

Sean McGrath/Flickr

JENS SCHLUETER/Getty Images

Hay una variedad de experimentos simples para demostrar la existencia de fuerzas eléctricas. Por ejemplo, después de frotar un globo contra el cabello en un día seco, observará que el globo atrae pequeños pedazos de papel. Con frecuencia la fuerza de atracción es lo suficientemente intensa que los pedazos de papel quedan suspendidos. La figura 1.1a muestra otro efecto de la fuerza eléctrica. El cuerpo de la mujer se carga, y, en este caso, hay una fuerza repulsiva entre todos los cabellos de su cabeza. La figura 1.1b muestra otra situación atractiva. Un gato frotó su cuerpo contra los trozos de poliestireno mientras jugaba en una caja de embalaje. Al salir de la caja, los trozos de espuma de poliestireno se pegan a su cuerpo.

b

Figura 1.1 (a) Esta joven está disfrutando los efectos de cargar eléctricamente su cuerpo. Cada cabello individual en su cabeza se carga y ejerce una fuerza repulsiva sobre los otros cabellos, lo que resulta en el peinado “parado” que se ve aquí. (b) Una fuerza eléctrica atractiva es demostrada por un gato que se metió en una caja de trozos de poliestireno.

3

4

Capítulo 1

Campos eléctricos Una varilla de hule con carga negativa suspendida por un hilo es atraída por una varilla de vidrio con carga positiva.

Una varilla de hule con carga negativa es repelida por otra varilla de hule con carga negativa.

Hule

Hule S

Figura 1.2

Fuerza eléctrica entre (a) objetos con cargas opuestas y (b) objetos con cargas iguales.

Para la conservación de la carga, cada electrón añade cargas negativas a la seda, e igual carga positiva se queda en la varilla.

Figura 1.3 Cuando una varilla de vidrio es frotada con seda, se transfieren electrones del vidrio a la seda.

La carga eléctrica se conserva

+

– – –– – S S F Vidrio F ++ + + + + a

F –– – – – –

– –– –

– – Hule S

F

b

Cuando los materiales se comportan de esta manera, se dice que están electrificados, o que se han cargado eléctricamente. Usted puede electrificar su cuerpo con facilidad si frota con fuerza sus zapatos sobre una alfombra de lana; detectará la carga eléctrica de su cuerpo al tocar ligeramente (y sobresaltar) a un amigo. Bajo condiciones adecuadas, verá una chispa al momento de tocarlo y ambos sentirán una ligera descarga. (Este tipo de experimentos funcionan mejor durante días secos, porque el exceso de humedad en el aire hace que cualquier carga que usted acumule en su cuerpo se “fugue” hacia la tierra.)

A partir de una serie de sencillos experimentos, Benjamín Franklin (1706-1790) descubrió que existen dos tipos de cargas eléctricas, a las que dio el nombre de positiva y negativa. Los electrones tienen carga negativa y los protones positiva. Para comprobar la existencia de ambos tipos de carga, imagine una varilla rígida de hule o caucho que ha sido frotada contra un trozo de piel y que está suspendida de un hilo, como puede observar en la figura 1.2. Cuando acerca una varilla de vidrio que ha sido frotada con seda a una varilla de hule, ambas se atraen (figura 1.2a). Por otra parte, si acerca dos varillas de hule con carga (o dos varillas de vidrio con carga), como se observa en la figura 1.2b, ambas se repelen. Esta observación demuestra que el hule y el vidrio tienen dos tipos diferentes de carga. Con base en estas observaciones, se puede concluir que cargas de un mismo signo se repelen y cargas de signos opuestos se atraen.

Utilizando la convención sugerida por Franklin, a la carga eléctrica en la varilla de vidrio se le denominó positiva y a la de la varilla de hule, negativa. Por tanto, cualquier objeto cargado que sea atraído por una varilla de hule con carga (o repelido por una varilla de vidrio con carga), deberá tener una carga positiva, y cualquier objeto con carga repelido por una varilla de hule con carga (o atraído por una varilla de vidrio con carga), deberá tener una carga negativa.

Otro aspecto importante de la electricidad que surge de la observación experimental es que en un sistema aislado la carga eléctrica siempre se conserva. Es decir, cuando se frota un objeto contra otro, no se crea carga en este proceso. El estado de electrificación se debe a una transferencia de carga de uno de los objetos hacia el otro. Uno adquiere parte de la carga negativa en tanto que el otro adquiere la misma cantidad de carga, pero positiva. Por ejemplo, cuando una barra de vidrio es frotada con seda, como se aprecia en la figura 1.3, la seda adquiere una carga negativa igual en magnitud a la carga positiva de la barra de vidrio. Hoy día se sabe, gracias a la comprensión de la estructura del átomo, que en el proceso de frotación se transfieren electrones del vidrio a la seda. De manera similar, cuando el hule es frotado contra la piel, los electrones se transfieren al hule dándole una carga negativa neta y a la piel una carga positiva neta. Este proceso es consistente con el hecho de que la materia, neutra y sin carga, contiene tantas cargas positivas (protones en los núcleos de los átomos) como negativas (electrones). La conservación de la carga eléctrica de un sistema

1.2 Objetos cargados mediante inducción aislado es como la conservación de la energía, del impulso y momento angular, pero no se identifica un modelo de análisis para este principio de conservación, ya que no se utiliza con bastante frecuencia en la solución matemática a los problemas.

En 1909, Robert Millikan (1868-1953), descubrió que las cargas eléctricas siempre se presentan como un entero múltiplo de una cantidad básica de carga e (véase la sección 1.3). En términos actuales se dice que la carga eléctrica q está cuantizada, y q es el símbolo de la variable para la carga; en otras palabras, la carga eléctrica existe en forma de “paquetes” discretos y se escribe q = ±Ne, donde N es algún número entero. Otros experimentos en el mismo periodo demostraron que el electrón tiene una carga −e y el protón una carga de igual magnitud, pero de signo contrario, +e.

Algunas partículas, como el neutrón, no poseen carga.

E XAMEN RÁPIDO 1.1 Se colocan tres objetos, muy cerca uno del otro, dos al mismo tiempo. Cuando se juntan los objetos A y B, se repelen. Cuando se acercan los objetos B y C, también se repelen. De los siguientes enunciados, ¿cuál es el verdadero? (a) Los objetos A y C tienen cargas del mismo signo. (b) Los objetos A y C poseen cargas de signos opuestos. (c) Los tres objetos tienen cargas del mismo signo. (d) Uno de los objetos es neutro. (e) Es necesario llevar a cabo experimentos adicionales para determinar los signos de las cargas.

1.2 Objetos cargados mediante inducción Es conveniente clasificar los materiales en función de la capacidad con que los electrones se mueven a través del material: 1 Los conductores eléctricos son aquellos materiales en los cuales algunos de los electrones son libres,1 no están unidos a átomos y pueden moverse con libertad a través del material. Los aislantes eléctricos son aquellos materiales en los cuales todos los electrones están unidos a átomos y no pueden moverse libremente a través del material.

Materiales como el vidrio, hule y madera seca se incluyen en la categoría de aislantes eléctricos. Cuando estos materiales son frotados sólo la zona frotada se carga, y las partículas con carga no pueden moverse hacia otras zonas del material.

En contraste, materiales como el cobre, el aluminio y la plata son buenos conductores eléctricos. Cuando están con carga en alguna pequeña zona, la carga se distribuye de inmediato en toda la superficie del material.

Una tercera clase de materiales son los semiconductores, cuyas propiedades eléctricas se ubican entre las correspondientes a los aislantes y a los conductores. El silicio y el germanio son ejemplos muy conocidos de materiales semiconductores de uso común en la fabricación de una gran diversidad de chips electrónicos utilizados en computadoras, teléfonos celulares y estéreos. Las propiedades eléctricas de los semiconductores cambian, en varios órdenes de magnitud, a partir de la adición de cantidades controladas de ciertos átomos.

Para comprender cómo se carga un conductor por un proceso conocido como inducción, considere una esfera conductora neutra (sin carga) aislada de la tierra, como se muestra en la figura 1.4a. Los electrones se mueven libremente dentro del conductor. Estos electrones originalmente pertenecían a los átomos metálicos antes de que los átomos se combinaran en una muestra macroscópica. Por tanto, hay una red de átomos bloqueados en su lugar en el conductor, cada uno perdiendo un electrón. Los átomos ahora se llaman iones porque están cargados positivamente, en este caso, debido al electrón faltante. Suponemos que cada átomo libera un electrón, por lo que hay una cantidad igual de iones libres y electrones en la esfera si la carga en ella es exactamente cero. Cuando se le acerca una varilla de hule con 1 Un átomo de metal contiene uno o más electrones externos, que están débilmente unidos al núcleo. Cuando muchos átomos se combinan para formar un metal, los electrones libres son estos electrones externos, que no están unidos a ningún átomo. Estos electrones se mueven sobre el metal de manera similar a las moléculas de gas que se mueven en un contenedor.

5

6

Capítulo 1

Campos eléctricos

La esfera metálica neutra, tiene igual número de cargas positivas y negativas.

a Al acercar una varilla cargada, los electrones en ella se redistribuyen.

b Al conectar la esfera a tierra, algunos de sus electrones se fugan a través del alambre a tierra.

c El exceso de carga positiva no está distribuido de manera uniforme.

d Al retirar la varilla, los electrones restantes se redistribuyen y hay una distribución uniforme positiva de carga neta sobre la esfera.

carga negativa, los electrones en la región más cercana a la varilla experimentan una fuerza de repulsión y emigran al lado opuesto de la esfera. Esto provoca que la región de la esfera cercana a la varilla se quede con carga positiva a causa del menor número de electrones, como se observa en la figura 1.4b. (El lado izquierdo de la esfera de la figura 1.4b queda con carga positiva, como si se hubieran trasladado a dicha región cargas positivas, pero recuerde que sólo los electrones tienen la libertad para moverse.) Esto se presenta aun cuando la varilla no toque la esfera. Si el mismo experimento se realiza con un alambre conductor conectado de la esfera a la tierra (figura 1.4c), algunos de los electrones en el conductor son repelidos con tal fuerza, por la presencia de la carga negativa de la varilla, que salen de la esfera a través del alambre hacia la tierra. El símbolo al extremo en la figura 1.4c indica que el alambre está conectado a tierra, como un depósito, como la Tierra, que puede aceptar o proveer de electrones con libertad sin que se produzca un efecto significativo sobre sus características eléctricas. Si el alambre a tierra se retira (figura 1.4d), la esfera conductora se queda con un exceso de carga positiva inducida, ya que tiene menos electrones de los que necesita para cancelar la carga positiva de los protones.

Cuando la varilla de hule se aleja de la esfera (figura 1.4e), esta carga positiva inducida se queda en la esfera desconectada de la tierra. Observe que durante este proceso, la varilla de hule no pierde su carga negativa.

Para cargar un objeto por inducción no es necesario que tenga contacto con el objeto que induce la carga, a diferencia de cuando un objeto se carga por frotamiento (por conducción), en donde sí se requiere el contacto entre ambos objetos.

Un proceso similar a la inducción en los conductores se presenta en los materiales aislantes. En la mayoría de las moléculas neutras, el centro de la carga positiva coincide con el centro de la carga negativa. Sin embargo, en presencia de un objeto con carga, estos centros en el interior de cada molécula, en un material aislante, se desplazan ligeramente, lo que resulta en que un lado de la molécula tenga una carga más positiva que el otro. Este realineamiento de la carga en el interior de las moléculas produce una capa de carga sobre la superficie del material aislante, como observa en la figura 1.5. La proximidad de las cargas positivas en la superficie del objeto y las cargas negativas en la superficie del aislante resulta en una fuerza de atracción entre el objeto y el aislante. Su conocimiento de inducción en los materiales aislantes, le ayuda a explicar por qué los trozos de poliestireno se pegan al gato en la figura 1.1b.

E XAMEN RÁPIDO 1.2 Se colocan tres objetos, muy cerca uno del otro, dos al mismo tiempo. Cuando se juntan los objetos A y B, se atraen. Cuando se acercan los objetos B y C, se repelen. ¿Cuál de las siguientes opciones es necesariamente una verdad?: (a) Los objetos A y C tienen cargas del mismo signo. (b) Los objetos A y C tienen cargas de signo opuesto. (c) Los tres objetos tienen cargas del mismo signo. (d) Uno de los objetos es neutro. (e) Es necesario llevar a cabo experimentos adicionales para determinar las cargas de los objetos.

El globo cargado induce una separación de cargas inducidas sobre la superficie de la pared debido a la realineación de las cargas en las moléculas de la pared.

Pared

e

Figura 1.4 Carga de un objeto metálico mediante inducción (a) Esfera metálica neutra (b) Una varilla de hule cargada se coloca cerca de la esfera (c) la esfera es conectada a tierra (d) la conexión a tierra es removida (e) la varilla es removida.

Globo cargado

Separación de la carga inducida

Figura 1.5

Un globo cargado es colocado cerca de una pared aislada.

7

1.3 Ley de Coulomb

1.3 Ley de Coulomb

Cabezal de suspensión

Charles Coulomb midió las magnitudes de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados; para hacerlo usó la balanza de torsión, que él inventó (figura 1.6). El principio de Fibra operación de la balanza de torsión es el mismo que el del aparato usado por Cavendish para medir la constante de gravitación, con esferas eléctricamente neutras remplazadas por esferas con carga. La fuerza eléctrica entre las esferas A y B de la figura 1.6 causa que se atraigan o se repelan, y el movimiento resultante provoca que la fibra suspendida se tuerza. Gracias a que el momento de torsión de recuperación de la fibra torcida es proporcional al ángulo de rotación de la fibra, una lectura de este ángulo da una medida cuantitativa de la fuerza eléctrica de atracción o de repulsión.

Una vez cargadas las esferas por frotación, la fuerza eléctrica entre ambas se vuelve muy grande en comparación con la atracción gravitacional y, por tanto, esta última fuerza se puede ignorar.

B A partir de los experimentos de Coulomb, se generalizan las propiedades de la fuerza eléctrica (algunas veces llamada fuerza electrostática) entre dos partículas cargaA das estacionarias. Para ello se usa el término carga puntual que hace referencia a una partícula con carga de prueba. El comportamiento eléctrico de electrones y protones queda muy bien descrito si se representan como cargas puntuales. Debido a observaciones experimentales es posible encontrar que la magnitud de una fuerza eléctrica Figura 1.6 Balanza de torsión de (a veces llamada fuerza de Coulomb) entre dos cargas puntuales está dada por la ley de Coulomb, utilizada para determinar la ley del cuadrado inverso para una Coulomb: fuerza eléctrica entre dos cargas.

Fe 5 ke

uq1uuq2u r2

(1.1)

Ley de Coulomb

donde ke es una constante conocida como constante de Coulomb. En sus experimentos, Coulomb demostró que el valor del exponente de r era 2, con una incertidumbre de unos cuantos puntos porcentuales. Experimentos recientes han comprobado que el exponente es 2, con una incertidumbre de unas cuantas partes en 1016. Los experimentos también muestran que la fuerza eléctrica, como la fuerza gravitacional, es conservativa.

El valor de la constante de Coulomb depende de la elección de las unidades. En el SI la unidad de carga es el coulomb (C). La constante de Coulomb ke en unidades del SI tiene el valor

Además esta constante se expresa como

ke 5

1 4

0

(1.2)

(1.3)

donde la constante P0 (griega minúscula épsilon) se conoce como la permitividad eléctrica del vacío, cuyo valor es 5 8.854 2 3 10212 C2/N ? m2 0 (1.4) La unidad de carga más pequeña e conocida en la naturaleza, 2 es la carga de un electrón (−e) o de un protón (+e), con una magnitud de

e 5 1.602 18 3 10219 C

Constante de Coulomb

INTERFOTO/Alamy

ke 5 8.987 6 3 109 N ? m2/C 2

Charles Coulomb (1.5) Físico francés (1736-1806)

Por tanto, una carga igual a 1 C es aproximadamente igual a la carga de 6.24 × 1018 electrones o protones. Esta cantidad es muy pequeña en comparación con el número de electrones libres presentes en 1 cm3 de cobre, que es del orden de 1023. Aun así, 1 C es una cantidad de carga sustancial. En los experimentos en que se carga por frotación una varilla de hule o de vidrio, se obtiene una carga neta del orden de 10−6 C. 2 En una partícula libre no ha sido posible detectar ninguna unidad de carga menor que e; sin embargo, las teorías actuales proponen la existencia de partículas de nombre quarks con cargas iguales a −e/3 y 2e/3. Aunque existen muchas evidencias experimentales de estas partículas en el interior de materia nuclear, jamás se han detectado quarks libres. En el capítulo 44 se explican otras propiedades de los quarks.

Las principales aportaciones a la ciencia de Charles Coulomb fueron en los campos de la electrostática y del magnetismo. En el transcurso de su vida, también investigó la resistencia de los materiales y determinó las fuerzas que afectan a objetos sobre vigas; así contribuyó al campo de la mecánica estructural. En el campo de la ergonomía, sus investigaciones lograron un discernimiento básico sobre las condiciones en que las personas y los animales pueden trabajar mejor.

8

Capítulo 1

Campos eléctricos TABLA 1.1 Carga y masa de electrones, protones y neutrones Partícula

Electrón (e) Protón (p) Neutrón (n)

Carga (C)

Masa (kg)

21.602 176 5 3 10219 11.602 176 5 3 10219 0

9.109 4 3 10231 1.672 62 3 10227 1.674 93 3 10227

En otras palabras, sólo una fracción muy pequeña de la carga total disponible se ha transferido entre la varilla y el material contra el que se frota.

Las cargas y masas del electrón, el protón y el neutrón aparecen en la tabla 1.1.

Tenga en cuenta que el electrón y el protón son idénticos en la magnitud de su carga, pero muy diferentes en la masa. Por otra parte, el protón y el neutrón son similares en masa, pero muy diferentes en carga.

Ejemplo 1.1 El átomo de hidrógeno El electrón y el protón de un átomo de hidrógeno están separados (en promedio) por una distancia de aproximadamente 5.3 × 10−11 m. Encuentre las magnitudes de la fuerza eléctrica y la fuerza gravitacional entre las dos partículas.

SOLUCIÓN

Conceptualizar Considere que las dos partículas están separadas por la muy pequeña distancia dada en el enunciado del problema. Debido a que las partículas tienen tanto carga eléctrica como masa, habrá una fuerza eléctrica y una fuerza gravitacional entre ellas.

Categorizar Las fuerzas eléctrica y gravitacional se evaluarán a partir de leyes de fuerza universales, así que este ejemplo se clasifica como un problema de sustitución. ue uu2e u s1.60 3 10219 Cd2 Use la ley de Coulomb para encontrar la magnitud de la F e 5 ke 5 s8.988 3 109 N ? m2yC 2d 2 r s5.3 3 10211 md2 fuerza eléctrica: 28 5 8.2 3 10 N memp Use la ley de gravitación universal de Newton y la tabla Fg 5 G 2 r 1.1 (para las masas de las partículas) para encontrar la s9.11 3 10231 kgds1.67 3 10227 kgd magnitud de la fuerza gravitacional: 5 s6.674 3 10211 N ? m2ykg 2d s5.3 3 10211 md2 247 5 3.6 3 10 N La razón Fe/Fg ≈ 2 × 1039. Por tanto, la fuerza gravitacional entre partículas atómicas con carga es despreciable cuando se compara con la fuerza eléctrica. Observe las similitudes entre la ley de Newton de gravitación universal y la ley de Coulomb de fuerzas eléctricas. Aparte de la magnitud de fuerzas entre partículas elementales, ¿cuál es la diferencia fundamental entre las dos fuerzas?

Cuando se relaciona con la ley de Coulomb, es necesario recordar que la fuerza es una cantidad vectorial que deberá ser tratada como corresponde. La ley de Coulomb, expresada en forma vectorial para unaSfuerza eléctrica ejercida por una carga q 1 sobre una segunda carga q 2, rescrita como F 12, es Forma vectorial de la ley de Coulomb

S

F 12 5 k e

q 1q 2 r2

⁄

r12

(1.6)

donde r⁄12 es un vector unitario dirigido de q 1 hacia q 2, como se puede observar en la figura 1.7a. Ya que la fuerza eléctrica obedece a la tercera ley de Newton, la fuerza eléctrica ejercida por q 2 sobre q 1 es igual en magnitud, pero en sentido opuesto a la S S fuerza ejercida por q 1 sobre q 2; es decir, F 21 5 2 F 12. Por último, en la ecuación 1.6, es

9

1.3 Ley de Coulomb Cuando las cargas son del mismo signo, la fuerza es de repulsión

Cuando las cargas son de signos opuestos, la fuerza es de atracción

q2

S

F12

r

S

q1

S

Figura 1.7

F12

q2

Dos cargas puntuales separadas por una distancia r ejercen una fuerza sobre la otra que se da S por la ley de Coulomb. La fuerza F 21 ejercida por q 2 sobre q 1 es igual en magnitud y opuesta en dirección a la S fuerza F 12 ejercida por q 1 sobre q 2.

S

F21

rˆ12 q1

F21

a

b

claro que si q 1 y q 2 son del mismo signo, como se observa en la figura 1.7a, el producto q 1q 2 es positivo y la fuerza eléctrica sobre una partícula está dirigida lejos de la otra.

Si q 1 y q 2 son de signos opuestos, como se muestra en la figura 1.7b, el producto q 1q 2 es negativo y la fuerza eléctrica de una partícula está dirigida hacia la otra. Estos signos indican la dirección relativa de la fuerza, pero no la dirección absoluta. Un producto negativo indica que se trata de una fuerza de atracción y un producto positivo indica una fuerza de repulsión. La dirección absoluta de la fuerza sobre una carga depende de la posición de la otra carga. Por ejemplo, si el eje de las S x está a lo largo de las dos F cargas en la figura 1.7a, el producto q q será positivo, pero 12 apunta en la dirección 1 2 S positiva de x y F 21 en la dirección negativa de x.

Cuando hay más de dos cargas presentes, la fuerza que se ejerce entre cualquier par de cargas está dada por la ecuación 1.6. Debido a eso, la fuerza resultante de cualquiera de ellas está dada por un principio de superposición y es igual a la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por las otras cargas individuales. Por ejemplo, si están presentes cuatro cargas, la fuerza resultante ejercida por las partículas 2, 3 y 4 sobre la partícula 1 es de

oF

S

S

1

S

S

5 F 21 1 F 31 1 F 41

E XAMEN RÁPIDO 1.3 El objeto A tiene una carga igual a +2 mC y el objeto B una carga de +16 mC. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera respecto a las fuerzas eléctricas ejercidas sobre los objetos?

S

S

S

S

S

S

S

S

(a) F AB 5 23 F BA (b) F AB 5 2 F BA (c) 3 F AB 5 2 F BA (d) F AB 5 3 F BA S S S S (e) F AB 5 F BA (f) 3 F AB 5 F BA

Ejemplo 1.2 Encuentre la fuerza resultante

y a

q2

F13

F23 q3

Considere tres cargas puntuales ubicadas en las esquinas de un triángulo rectángulo, como se muestra en la figura 1.8, donde q 1 = q 3 = 5.0 mC, q 2 = -2.0 mC y a = 0.100 m.

Encuentre la fuerza resultante que se ejerce sobre q 3.

SOLUCIÓN

S S

a

2a

q1

x

Conceptualizar Piense en la fuerza neta sobre q 3. Ya que la carga q 3 está cerca de otras dos La fuerza cargas, experimentará dos fuerzas eléctricas. Estas fuerzas se ejercen en diferentes direc- Figura 1.8 (Ejemplo 1.2) S que ejerce q sobre q es .

F 1 3 13 ciones como se ve en la figura 1.8. Basado en las fuerzas mostradas en la figura, estime la La fuerza que ejerce q 2 sobre q 3 es S S dirección del vector fuerza neta.

F 23 . La fuerza resultante F 3 que se

sobre q 3 es la suma vectorial Categorizar Ya que sobre la carga q 3 se ejercen dos fuerzas, este ejemplo se clasifica como ejerce S S F 13 1 F 23 . un problema de suma vectorial.

S

Analizar Las direcciones de las fuerzas individuales ejercidas por q 1 y q 2 sobre q 3 se muestran en la figura 1.8. La fuerza F 23 que q 2 ejerce sobre q 3 es de atracción porque q 2 y q 3 tienen signos opuestos. En el sistema coordenado que se muestra en la S figura 1.8, la fuerza de atracción F 23 es hacia la izquierda (en la dirección x negativa).

continúa

10

Capítulo 1

Campos eléctricos

1.2 c o n t i n u a c i ó n S

S

La fuerza F 13 que q 1 ejerce sobre q 3 es de repulsión porque ambas cargas son positivas. La fuerza de repulsión F 13 forma S S un ángulo de 45° con el eje x. Las magnitudes de las fuerzas F 13 y F 23 se determinan usando las magnitudes absolutas de las cargas en la ecuación 1.1. uq 2uuq 3u F23 5 k e Use la ecuación 1.1 para encontrar la magnitud de S a2 F 23 : s2.00 3 1026 Cds5.00 3 1026 Cd 5 8.99 N 5 s8.988 3 109 N ? m2yC 2d s0.100 md2 S

Encuentre la magnitud de la fuerza F 13:

F13 5 k e

uq 1uuq 3u sÏ2 ad2

5 s8.988 3 10 9 N ? m2yC 2d S

s5.00 3 1026 Cds5.00 3 1026 Cd 5 11.2 N 2s0.100 md2

F 13x 5 (11.2 N) cos 45.08 5 7.94 N F 13y 5 (11.2 N) sen 45.08 5 7.94 N

Encuentre las componentes x y y de la fuerza F 13.

Halle las componentes de la fuerza resultante que actúa sobre q 3:

F 3x 5 F 13x 1 F 23x 5 7.94 N 1 (28.99 N) 5 21.04 N F 3y 5 F 13y 1 F 23y 5 7.94 N 1 0 5 7.94 N

Exprese la fuerza resultante que actúa sobre q 3 en forma de vectores unitarios:

S

⁄

⁄

F 3 5 s21.04i 1 7.94j d N

Finalizar La fuerza neta sobre q 3 es hacia arriba y a la izquierda en la figura 1.8. Si q 3 se mueve en respuesta a la fuerza neta, cambian las distancias entre q 3 y las otras cargas, de modo que la fuerza neta cambia. En consecuencia, si q 3 se mueve libremente se puede modelar como una partícula bajo una fuerza neta en tanto se reconozca que la fuerza que se ejerce sobre q 3 no es constante. Como un refuerzo a la memoria, si aumentamos los valores numéricos a tres cifras significativas, nos conducirá a operaciones como 7.94 N + (−8.99 N) = −1.04 N por arriba. Si usted lleva todos los resultados intermedios a más cifras significativas verá que esta operación es correcta. ¿ Q U É P A S A R Í A S I ? ¿Y si los signos de las tres cargas cambiaran a los signos opuestos? ¿Cómo afectaría al resultado S para F 3 ?

Respuesta La carga q 3 todavía sería atraída hacia q 2 y repelida de q 1, con fuerzas de la misma magnitud. En consecuencia, S el resultado final para F 3 sería el mismo.

y

Ejemplo 1.3 ¿Dónde es cero la fuerza neta?

2.00 m

Tres cargas puntuales se encuentran a lo largo del eje x, como se muestra en la figura 1.9.

La carga positiva q1 = 15.0 mC está en x = 2.00 m, la carga positiva q 2 = 6.00 mC está en el origen y la fuerza neta que actúa sobre q 3 es cero. ¿Cuál es la coordenada x de q 3?

SOLUCIÓN

Conceptualizar Ya que q 3 está cerca de otras dos cargas, experimenta dos fuerzas eléctricas. Sin embargo, a diferencia del ejemplo anterior, en este problema las fuerzas se encuentran a lo largo de la misma recta, como se indica en la figura 1.9. Como q 3 es negaS S tiva, mientras que q 1 y q 2 son positivas, las fuerzas F 13 y F 23 son de atracción. Debido a que q 2 es la carga más pequeña, la posición de q 3 en la que la fuerza es cero debería estar más cerca de q 2 que de q 1.

Categorizar Ya que la fuerza neta sobre q 3 es cero, la carga puntual se modela como una partícula en equilibrio.

Analizar Escriba una expresión para la fuerza neta sobre la carga q 3 cuando está en equilibrio:

oF

Mueva el segundo término a la derecha de la ecuación e ⁄ iguales los coeficientes del vector unitario i :

ke

S

S

3

2

5 ke

2.00

S

S

F23 q 3

x

F13

x q1

Figura 1.9

(Ejemplo 1.3) Tres cargas puntuales se colocan a lo largo del eje x. Si la fuerza resultante que actúa sobre q 3 es cero, S la fuerza F 13 que ejerce q 1 sobre q 3 debe ser igual en magnitud y opuesta en dirección a la fuerza S F 23 que q 2 ejerce sobre q 3.

S

5 F 23 1 F 13 5 2k e

uq 2uuq 3u x

q2

x

uq 1uuq 3u s2.00 2 xd2

uq 2uuq 3u x2

⁄

i 1 ke

uq 1uuq 3u s2.00 2 xd2

⁄

i 50

11

1.3 Ley de Coulomb 1.3 c o n t i n u a c i ó n Elimine ke y |q 3| y reordene la ecuación:

(2.00 2 x)2uq 2u 5 x 2uq 1u

Tome la raíz cuadrada a ambos lados de la ecuación:

(2.00 2 x)Ïuq 2u 5 6x Ïuq 1u (1) x 5

Resuelva la ecuación para x: Sustituya valores numéricos, eligiendo el signo positivo:

x5

2.00 Ïuq 2u Ïuq 2u 6 Ïuq 1u 2.00 Ï6.00 3 1026 C Ï6.00 3 1026 C 1 Ï15.0 3 1026 C

5 0.775 m

Finalizar Tenga en cuenta que la carga móvil de hecho está más cerca de q 2 como predijimos en el paso de conceptualizar.

Observe que el resultado en la ecuación (1) es independiente tanto de la magnitud como del signo de carga q 3. Si q 3 aumenta, ambas fuerzas en la figura 1.9 aumentan en magnitud pero aún se cancelan. Si q 3 cambia de signo, ambas fuerzas cambian de dirección, pero aún se cancelan. La segunda raíz de la ecuación es (si elegimos el signo negativo) x = −3.44 m. Esta es otra posición donde las magnitudes de las fuerzas sobre q 3 son iguales, aunque dichas fuerzas están en la misma dirección, por lo que no se anulan. ¿ Q U É P A S A R Í A S I ? Suponga que q 3 se restringe a moverse sólo a lo largo del eje x. Desde su posición inicial en x = 0.775 m, se jala una pequeña distancia a lo largo del eje x. Cuando se libera, ¿regresa al equilibrio o se jala aún más desde el equilibrio? Es decir, ¿el equilibrio es estable o inestable?

S

S

Respuesta Si q 3 se mueve hacia la derecha, F 13 se vuelve mayor y F 23 menor. El resultado es una fuerza neta hacia la derecha, en la misma dirección que el desplazamiento. Por tanto, la carga q 3 continuaría moviéndose hacia la derecha y el equilibrio es inestable.

Si q 3 se restringe a permanecer en una coordenada x fija pero se le permite moverse arriba y abajo en la figura 1.9, el equilibrio es estable. En este caso, si la carga se jala hacia arriba (o hacia abajo) y se libera, se mueve de regreso hacia la posición de equilibrio y oscila en torno a este punto. ¿La oscilación es armónica simple?

Ejemplo 1.4 Encuentre la carga sobre las esferas Dos pequeñas esferas idénticas cargadas, cada una con una masa de 3.0 × 10−2 kg, cuelgan en equilibrio como se muestra en la figura 1.10a. La longitud de cada cuerda es 0.150 m y el ángulo u es 5.0°.

Encuentre la magnitud de la carga sobre cada esfera.

u u L

SOLUCIÓN

Conceptualizar La figura 1.10a ayuda a formar ideas de este ejemplo.

Las dos esferas ejercen fuerzas de repulsión una sobre la otra. Si se mantienen cerca y se liberan, se mueven hacia afuera desde el centro y se establecen en la configuración de la figura 1.10a después de que las oscilaciones desaparecen debido a la resistencia del aire.

Categorizar La frase clave “en equilibrio” ayuda a modelar cada esfera como una partícula en equilibrio. Este ejemplo es similar a los problemas de partícula en equilibrio, con la característica agregada de que una de las fuerzas sobre una esfera es una fuerza eléctrica.

S T u

T cos u

q

L

S Fe

u T sen u

q

a

mg a

b

Figura 1.10 (Ejemplo 1.4) a) Dos esferas idénticas, cada una con la misma carga q, suspendidas en equilibrio. b) Diagrama de cuerpo libre para la esfera a la izquierda del inciso a).

Analizar En la figura 1.10b se muestra el diagrama de cuerpo libre para la esfera de la izquierda. La esfera está en equilibrio S S bajo la aplicación de las fuerza T de la cuerda, la fuerza eléctrica Fe de la otra esfera y la fuerza gravitacional mS g.

A partir del modelo de la partícula en equilibrio, iguale a cero la fuerza neta en la esfera de la izquierda para cada componente: Divida la ecuación 1) entre la ecuación 2) para encontrar Fe: Evalúe numéricamente la fuerza eléctrica:

(1) (2)

oF oF

(3) tan

x

5 T sen 2 Fe 5 0 S T sen 5 Fe

y

5 T cos 5

Fe mg

2 mg 5 0 S T cos

5 mg

S Fe 5 mg tan

continúa

12

Capítulo 1

Campos eléctricos

1.4 c o n t i n u a c i ó n Use la geometría del triángulo rectángulo en la figura 1.10a para encontrar la correspondencia entre a, L y u:

(4) sen

Resuelva la ley de Coulomb (ecuación 1.1) para la carga |q| en cada esfera y sustituya de las ecuaciones 3 y 4:

uqu 5

uqu 5

Sustituya valores numéricos:

Î

5

a S a 5 L sen L

Î Î Fer 2 ke

5

Fe s2ad2 ke

5

Î

mg tan s2L sen d2 ke

s3.00 3 1022 kgds9.80 mys2d tan s5.008df2s0.150 md sen s5.008dg2 8.988 3 109 N ? m2yC 2

5 4.42 3 1028 C Finalizar Si el signo de las cargas no se proporciona en la figura 1.10 no es posible determinarlo. De hecho, el signo de la carga no es importante. La situación es la misma ya sea que ambas esferas tengan carga positiva o carga negativa. ¿ Q U É P A S A R Í A S I ? Suponga que su compañera de cuarto le propone resolver este problema sin la suposición de que las cargas son de igual magnitud. Ella afirma que la simetría del problema se destruye si las cargas no son iguales, de modo que las cuerdas formarían dos ángulos diferentes con la vertical y el problema sería mucho más complicado. ¿Cómo respondería?

Respuesta La simetría no se destruye y los ángulos no son diferentes. La tercera ley de Newton requiere que las magnitudes de las fuerzas eléctricas sobre las dos cargas sean iguales, sin importar la igualdad o desigualdad de las cargas. La solución al ejemplo aún es la misma: el valor de |q| en la solución se sustituye por Ïuq 1 q 2u en la nueva situación, donde q 1 y q 2 son los valores de las cargas en las dos esferas. La simetría del problema se destruiría si las masas de las esferas no fueran iguales. En este caso, las cuerdas formarían diferentes ángulos con la vertical y el problema sería más complicado.

q

1.4 Modelo de análisis: partícula en un campo (eléctrico) S

Las fuerzas de campo actúan a través del espacio y producen algún efecto, aun cuando no exista contacto físico entre los objetos que interactúan. Tal interacción puede ser modelada como un proceso de dos pasos: una partícula fuente establece un campo Carga fuente y luego una partícula cargada interactúa con el campo y experimenta una fuerza. El a campo gravitacional S debido a una fuente particular fue g en un punto en el espacio S definido, como igual a la fuerza gravitacional F gSque actúa sobre una partícula de q S prueba de masa m dividida entre esa masa: g ; F g ym0 . Entonces, la fuerza ejercida q0 S S por el campo es F 5 m g .

S El concepto de campo fue desarrollado por Michael Faraday (1791-1867) en el conP Fe texto de las fuerzas eléctricas y es de un valor tan práctico que en los siguientes capíCarga de prueba tulos se le da mucha atención. En este enfoque, se dice que existe un campo eléctrico Carga fuente en la región del espacio que rodea al objeto cargado: la carga fuente. La figura 1.11a b muestra la carga fuente y el campo eléctrico resultante en un punto P en el espacio Figura 1.11 Una fuerza eléctrica externo a la carga fuente. La presencia del campo eléctrico se puede detectar coloentre dos partículas es un proceso cando una carga de prueba en el campo y anotando la fuerza eléctrica sobre ella, de dos pasos: (a) Una carga fuente q como se muestra en la figura 1.11b. Definimos el campo eléctrico debido a la carga crea un campo eléctrico en un punto fuente en la ubicación de la carga de prueba la fuerza eléctrica sobre la carga de S P en el espacio. (b) Cuando se coloca prueba por unidad de carga, o, para mayor claridad, el vector S del campo eléctrico E otra carga q 0 en P, se siente el efecto en un punto en el espacio se define como la fuerza eléctrica Fe , que actúa sobre una de ese campo eléctrico como una fuerza eléctrica. carga de prueba positiva q 0 colocada en ese punto, dividida entre la carga de prueba:3 P

E

S

E;

Definición de campo eléctrico

3

S

Fe q0

(1.7)

Cuando use la ecuación 1.7, debe suponer que la carga de prueba q 0 es lo suficientemente pequeña como para no perturbar la distribución de cargas responsable por el campo eléctrico. Si la carga de prueba es suficientemente grande, la carga sobre la esfera metálica se redistribuye y el campo eléctrico que establece es diferente del campo que se establece en ausencia de la carga de prueba mucho menor.

1.4 Modelo de análisis: partícula en un campo (eléctrico) S

13

S

El vector E está en unidades del SI, newtons por coulomb (N/C). La dirección de E como se ve en la figura 1.11a está en la dirección de la fuerza que experimenta una carga positiva de prueba cuando es colocada en el campo como se muestra en la S figura 1.11b. Observe que E es el campo producido por una carga o distribución de carga separada de la carga de prueba; no es el campo producido por la propia carga de prueba, además observe que la existencia de un campo eléctrico es una propiedad de su fuente; la presencia de una carga de prueba no es necesaria para que el campo exista.

La carga de prueba sirve como detector del campo eléctrico: existe un campo eléctrico en un punto si una carga de prueba en dicho punto experimenta una fuerza eléctrica.

Ahora, imagine que hemos establecido un campo eléctrico con una carga fuente y han revisado su valor en cada punto del espacio usando la ecuación 1.7.

S Si se coloca una carga arbitraria q en un campo eléctrico E , éste experimenta una fuerza eléctrica dada por S

S

(1.8)

Fe 5 qE

Esta ecuación es la representación matemática de la versión eléctrica del análisis del modelo de partícula en un campo. Si q es positiva, la fuerza tiene la misma dirección que el campo. Si q es negativa, la fuerza y el campo tienen direcciones opuestas.

Observe la similitud entre la ecuación 1.8 y la ecuaciónS correspondiente a la versión S gravitacional de la partícula en un modelo de campo, F g 5 m g . Una vez que conoce la magnitud y la dirección del campo eléctrico en un punto determinado, puede calcular la fuerza eléctrica ejercida sobre cualquier partícula cargada ubicada en ese punto mediante la ecuación 1.8.

Para determinar la forma del vector de un campo eléctrico, se coloca una carga de prueba q 0 en el punto P, a una distancia r de la carga fuente q, como se observa en la figura 1.12a. Imagine el uso de la carga de prueba para determinar la dirección de la fuerza eléctrica y, por tanto, la dirección del campo eléctrico. De acuerdo con la ley de Coulomb, la fuerza ejercida por q sobre la carga de prueba es q q0 S F e 5 k e 2 ⁄r r

Fuerza eléctrica sobre una carga en un campo eléctrico PREVENCIÓN DE RIESGOS OCULTOS 1.1 Sólo partículas La ecuación 1.8 sólo es válida para una partícula de carga q, es decir para un objeto de tamaño cero. Para un objeto cargado de tamaño finito en un campo eléctrico, el campo puede variar en magnitud y dirección de acuerdo con el tamaño del objeto, por lo que la ecuación de fuerza correspondiente puede ser más complicada.

donde ⁄r es un vector unitario con dirección de q hacia q 0. En la figura 1.12a esta fuerza se aleja de la carga fuente q. Ya que el campo eléctrico enSP, que es la posición S de la carga de prueba, queda definido por la ecuación 1.7 E 5 F e yq 0 , el campo eléctrico en P establecido por q es S

E 5 ke

Si q es positiva, la fuerza en la carga de prueba q0 se aleja de q.

q0

q

r̂

r

q r2

⁄

(1.9)

r

q0

S

Fe

P

S

q

P

Fe

r̂

a

c S

Para una carga fuente positiva, el campo eléctrico en P apunta radialmente hacia afuera de q. b

Si q es negativa, la fuerza en la carga de prueba q0 se dirige hacia q.

E

S

E

P q

r̂

q r̂ d

P

Para una carga fuente negativa, el campo eléctrico en P apunta radialmente hacia adentro en dirección a q.

Figura 1.12

(a), (c) Cuando una carga de prueba q 0 se coloca cerca de una fuente de carga q, la carga de prueba experimenta una fuerza. (b), (d) en un punto P cerca de una fuente de carga q, existe un campo eléctrico.

14

Capítulo 1

Campos eléctricos

En esta sección, hemos discutido las similitudes entre el campo eléctrico y el campo gravitacional. Es importante observar una diferencia sutil entre las notaciones usadas para estos dos campos. El campo gravitacional, expresado en términos de una masa fuente, generalmente se configura por un objeto cuya masa es enorme en comparación con la de un objeto colocado en el campo. Por tanto, usamos el símbolo M E para la fuente, mientras que en otras ecuaciones, usamos un símbolo separado m para la masa del objeto colocado en el campo. Sin embargo, en un campo eléctrico, la carga de la fuente del campo es a menudo similar en magnitud a la carga colocada en el campo. Por tanto, tendemos a usar el mismo símbolo q para ambos. En la figura 1.11 y la ecuación 1.9, q representa la carga fuente que configura el campo eléctrico. Sin embargo, en la ecuación 1.8, q representa la carga colocada en el campo eléctrico. Siempre que haya una posibilidad de confusión, usamos subíndices para diferenciar las cargas, como q 1 y q 2. Si la carga fuente q es positiva, la figura 1.12b muestra la situación al eliminar la carga de prueba: la carga fuente establece un campo eléctrico en el punto P, alejándose de q. Si q es negativa, como en el caso de la figura 1.12c, la fuerza sobre la carga de prueba está dirigida hacia la carga fuente, por lo que el campo eléctrico en P está dirigido hacia la carga fuente, como en la figura 1.12d.

Para calcular el campo eléctrico en un punto P debido a un pequeño número de cargas puntuales, primero determine los vectores del campo eléctrico en P, uno por uno usando la ecuación 1.9 y en seguida súmelos en forma vectorial. En otras palabras, en cualquier punto P, el campo eléctrico total debido a un grupo de cargas fuente es igual a la suma vectorial de los campos eléctricos de todas las cargas. Este principio de superposición aplicado a los campos se deduce de la suma vectorial de las fuerzas eléctricas. Por tanto, el campo eléctrico en el punto P debido a un grupo de cargas fuente se expresa como la suma vectorial Campo eléctrico debido a un número finito de cargas puntuales

S

E 5 ke

qi

or i

i

2

⁄

ri

(1.10)

donde ri es la distancia desde la i-ésima carga fuente qi hasta el punto P y r⁄i es un vector unitario dirigido de qi hacia P. En el ejemplo 1.6 se explora el campo eléctrico debido a dos cargas a partir del principio de superposición. El inciso (B) del ejemplo se concentra en un dipolo eléctrico, que se define como una carga positiva q y una carga negativa −q separadas por una distancia 2a. El dipolo eléctrico es un buen modelo de muchas moléculas, como el ácido clorhídrico (HCl). Los átomos y moléculas neutros se comportan como dipolos cuando se colocan en un campo eléctrico externo. Además, muchas moléculas, como HCl, son dipolos permanentes. En el capítulo 4 se explica el efecto de tales dipolos sobre el comportamiento de los materiales sujetos a campos eléctricos.

La fuerza eléctrica es la responsable de los tres fenómenos mencionados en la semblanza introductoria. A medida que los elementos de su ropa se frotan en la secadora giratoria, la carga eléctrica se transfiere de un elemento a otro y los elementos se unen cuando los saca de la secadora. Cuando se peina, el roce del peine contra el cabello hace que el peine se cargue. Cuando el peine cargado se coloca cerca de una corriente de agua, hay una fuerza atractiva entre el peine y los iones en el agua.

En la impresión de inyección de tinta, ya sea en un centro industrial o en su impresora doméstica, las gotas de tinta reciben una carga y luego se proyectan hacia abajo, hacia la superficie que se va a imprimir. Cuando las gotas de tinta se mueven hacia un sitio que se va a imprimir, pasan libremente a través de una región libre de campos. Cuando las gotas de tinta se mueven hacia un sitio que no se va a imprimir, se enciende un campo eléctrico y la fuerza eléctrica sobre las gotas de tinta las desvía a un canal donde no contribuyen a la imagen impresa.

1.4 Modelo de análisis: partícula en un campo (eléctrico)

15

E XAMEN RÁPIDO 1.4 Una carga de prueba de valor +3 mC está en un punto P donde un campo eléctrico externo es dirigido hacia la derecha con una magnitud de 4 × 106 N/C. Si la carga de prueba se remplaza con otra de magnitud −3 mC, ¿qué le sucede al campo eléctrico externo en P? (a) no se ve afectado, (b) invierte su dirección, (c) cambia de un modo que no puede ser determinado.

MODELO DE ANÁLISIS

de partícula en un campo (eléctrico)

Imagine un objeto cargado que S E llamamos carga fuente. La fuente de q carga establece un campo eléctrico S E a través del espacio. Ahora imaginemos que una partícula con carga q S S Fe qE se coloca en ese campo. La partícula interactúa con el campo eléctrico de manera que la partícula experimenta una fuerza eléctrica dada por S

S

F e 5 qE

(1.8)

Ejemplos: ●

●

●

●

un electrón se mueve entre las placas de deflexión de un osciloscopio de rayos catódicos y se desvía de su ruta original iones cargados experimentan una fuerza eléctrica desde el campo eléctrico en un selector de velocidad antes de entrar en un espectrómetro de masas (capítulo 7) un electrón se mueve alrededor del núcleo en el campo eléctrico establecido por el protón de un átomo de hidrógeno como el modelado por la teoría de Bohr un agujero en un material semiconductor se mueve en respuesta al campo eléctrico establecido mediante la aplicación de un voltaje al material

Ejemplo 1.5 Una gota de agua suspendida Una gota de agua de masa de 3.00 × 10−12 kg se encuentra en el aire cerca del suelo durante un día de tormenta. Un campo eléctrico atmosférico de magnitud 6.00 × 103 N/C apunta verticalmente hacia abajo en la proximidad de la gota de agua.

La gota permanece suspendida en reposo en el aire. ¿Cuál es la carga eléctrica de la gota?

SOLUCIÓN

Conceptualizar Imagínese la gota de agua flotando en reposo en el aire. Esta situación no es lo que se observa normalmente, así que algo debe mantener a la gota de agua suspendida.

Categorizar La gota puede ser modelada como una partícula y se describe por dos análisis de modelos asociados a los campos: la partícula en un campo (gravitacional) y la partícula en un campo (eléctrico). Además, debido a que la gota está sujeta a las fuerzas, pero permanece en reposo, se describe también por el modelo de partícula en equilibrio.

oF 5 0

Analizar Escriba la segunda ley de Newton de la partícula en el modelo de equilibrio en la dirección vertical:

(1)

Usando las dos partículas en los modelos de campo mencionados en el paso Categorizar, sustituya para las fuerzas en la ecuación (1), reconociendo que la componente vertical del campo eléctrico es negativa:

q s2E d 2 mg 5 0

Resuelva para la carga de la gota de agua:

q52

Sustituya los valores numéricos:

q52

y

S Fe 2 Fg 5 0

mg E s3.00 3 10212 kgds9.80 mys2d 6.00 3 103 NyC

5 24.90 3 10215 C

Finalizar Tomando nota de la unidad más pequeña de la carga libre en la ecuación 1.5, la carga de la gota de agua es un gran número de estas unidades. Observe que la fuerza eléctrica es hacia arriba para equilibrar la fuerza gravitacional hacia abajo.

El planteamiento del problema afirma que el campo eléctrico es en dirección hacia abajo. Por tanto, la carga que se encuentra por encima es negativa de modo que la fuerza eléctrica es opuesta a la dirección del campo eléctrico.

16

Capítulo 1

Campos eléctricos

Ejemplo 1.6 Campo eléctrico debido a dos cargas

y

S

E1

Las cargas q 1 y q 2 se ubican en el eje x, a distancias a y b, respectivamente, del origen, como se muestra en la figura 1.13.

S

E

f

(A) Encuentre las componentes del campo eléctrico neto en el punto P, que está en la posición (0, y).

P u S

SOLUCIÓN

Conceptualizar Compare este ejemplo con el ejemplo 1.2.

Ahí, sumó los vectores fuerza para encontrar la fuerza neta sobre una partícula cargada. En este caso, sume los vectores de campo eléctrico para encontrar el campo eléctrico neto en un punto en el espacio. Si una partícula cargada se coloca en P, podría usar la partícula en un modelo de campo para encontrar la fuerza eléctrica sobre la partícula.

E2

r1

Figura 1.13

(Ejemplo 1.6) El campo eléctrico total en P es S igual a la suma vectorial E , donde S S S E 1 1 E 2 donde E 1 es el campo S debido a la carga positiva q 1 y E 2 es el campo debido a la carga negativa q 2.

r2

f

u

a

q1

x

b

q2

Categorizar Tenemos dos cargas fuente y deseamos encontrar el campo eléctrico resultante, de modo que se puede clasificar este ejemplo como uno en el que se puede usar el principio de superposición representado por la ecuación 1.10.

Analizar Encuentre la magnitud del campo eléctrico en P debido a la carga q 1:

E 1 5 ke

Encuentre la magnitud del campo eléctrico en P debido a la carga q 2:

E 2 5 ke

Escriba los vectores de campo eléctrico para cada carga en forma de vector unitario:

uq 1u r 12 uq 2u r 22

2

a 1y

Escriba las componentes del vector de campo eléctrico neto:

2

uq 1u a2 1 y2 uq2u 2

b 1 y2 uq 1u

⁄

i 1 ke

2

cos

2

cos i 2 k e

uq 2u

S

E2 5 k e

5 ke

uq1 u

S

E 1 5 ke

5 ke

a 1 y2 uq 2u

⁄

b 1y

(1) E x 5 E 1x 1 E 2x 5 k e

(2) E y 5 E 1y 1 E 2y 5 k e

⁄

sen j

2

⁄

2

b 1 y2 uq 1u

2

a 1y

2

cos

2

sen 2 k e

uq 1u 2

a 1y

sen j

1 ke

uq 2u

cos

2

b 1 y2 uq 2u 2

b 1 y2

sen

(B) Evalúe el campo eléctrico en el punto P en el caso especial de que |q 1| = |q 2| y a = b.

SOLUCIÓN

Conceptualizar La figura 1.14 muestra la situación en este caso especial. Observe la simetría en la situación y que la distribución de carga ahora es un dipolo eléctrico.

Categorizar Ya que la figura 1.14 es un caso especial del caso general que se muestra en la figura 1.13, este ejemplo se clasifica como uno en el que se puede tomar el resultado de la parte (A) y sustituir los valores apropiados de las variables.

Analizar En función de la simetría de la figura 1.14, evalúe las ecuaciones (1) y (2) de la parte (A) con a = b, |q 1|=|q 2|= q, y f = u:

(3)

De la geometría en la figura 1.14, evalúe cos u:

(4)

Sustituya la ecuación (4) en la ecuación (3):

Ex 5 ke E y 5 ke cos

q 2

a 1y q

2

cos

1 ke

q 2

a 1y q

2

cos

5 2ke

q 2

a 1 y2

sen 2 k e 2 sen 5 0 a2 1 y2 a 1 y2 a a 5 5 2 r sa 1 y 2d1y2

E x 5 2k e

3

4

q 2aq a 5 ke 2 a 2 1 y 2 sa 2 1 y 2d1y2 sa 1 y 2d3y2

cos

17

1.5 Líneas de campo eléctrico 1.4 c o n t i n u a c i ó n (C) Encuentre el campo eléctrico debido al dipolo eléctrico cuando el punto P está a una distancia y 77 a desde el origen. y

SOLUCIÓN

En la solución a la parte (B), ya que y 77 a, ignore a 2 en comparación con y 2 y escriba la expresión para E en este caso:

(5) E < ke

S

E1

2aq y

3

Finalizar De la ecuación (5) se ve que, en los puntos alejados de un dipolo, pero a lo largo de la bisectriz perpendicular de la línea que une las dos cargas, la magnitud del campo eléctrico producido por el dipolo varía como 1/r 3, mientras que el campo que varía más lentamente de una carga puntual lo hace como 1/r 2 (vea la ecuación 1.9). Esto es porque en puntos distantes los campos de las dos cargas de igual magnitud y signo opuesto casi se cancelan mutuamente. La variación 1/r 3 en E para el dipolo también se obtiene para un punto distante a lo largo del eje x y para cualquier punto distante en general. En ambas partes (A) y (B), si se coloca una nueva carga q 1 en el punto P, la ecuación 1.8 puede usarse para encontrar la fuerza eléctrica sobre la S S ⁄ ⁄ carga: F 5 q 1E 5 q 1Ex i 1 q 1Ey j

P

u

S

E

u

(Ejemplo 1.6) Cuando las cargas en la figura 1.13 son de igual magnitud y equidistantes del origen, la situación se vuelve simétrica, como se muestra en este caso.

S

E2

r

Figura 1.14

q

u

u

a

a

x –q

1.5 Líneas de campo eléctrico Con aplicación de la ecuación 1.7 se ha definido matemáticamente el campo eléctrico. Ahora debe explorar un medio para darle una representación gráfica. Una forma conveniente de visualizar los patrones de los campos eléctricos es el trazo de líneas conocidas como líneas de campo eléctrico, establecidas por primera vez por Faraday, las cuales relacionan el campo eléctrico con una región del espacio de la manera siguiente: ●

●

La magnitud del campo es mayor en la superficie A que en la B.

S

El vector E del campo eléctrico es tangente a la línea del campo eléctrico en cada punto. La dirección de la línea, indicada por una punta de flecha, es igual al vector del campo eléctrico. La dirección de la línea es la de la fuerza sobre una carga de prueba positiva colocada en el campo de acuerdo a la partícula en un modelo de campo.

El número de líneas por unidad de área que pasan a través de una superficie perpendicular a dichas líneas es proporcional a la magnitud del campo eléctrico en dicha región. En consecuencia, las líneas de campo estarán cercanas donde el campo eléctrico sea intenso y separadas donde el campo sea débil.

A

B

Figura 1.15 Líneas de campo elécEstas propiedades se ilustran en la figura 1.15. La densidad de las líneas de campo trico que atraviesan dos superficies. a través de la superficie A es mayor que la densidad de las líneas a través de la superficie B. Debido a eso, la magnitud del campo eléctrico es más grande en la superficie A que en la superficie B. Además, si las líneas en diferentes ubicaciones apuntan en distintas direcciones el campo no es uniforme.

PREVENCIÓN DE RIESGOS ¿La correspondencia entre la intensidad del campo eléctrico y la densidad de las OCULTOS 1.2 líneas de campo es consistente con la ecuación 1.9, la expresión que obtuvo para el ¡Las líneas de campo eléctrico valor E mediante la ley de Coulomb? Para responder esta pregunta, piense en una no representan las trayectorias superficie esférica imaginaria de radio r concéntrica con una carga puntual. Por simede las partículas! Las líneas de campo eléctrico representan el tría, la magnitud del campo eléctrico será la misma en cualquier parte de la supercampo en diferentes ubicaciones. ficie de la esfera. El número de líneas N que emergen de la carga es igual al número Con excepción de casos muy espeque penetra en la superficie esférica. Por tanto, el número de líneas por cada unidad ciales, no representan la trayecto2 2 de área sobre la esfera es N/4pr (donde el área de la superficie de la esfera es 4pr ). ria de una partícula con carga que Ya que E es proporcional al número de líneas por unidad de área, E varía de la forma se mueve en un campo eléctrico.

1/r 2; este resultado es consistente con la ecuación 1.9.

18

Capítulo 1

Campos eléctricos En el caso de una carga puntual positiva, las líneas son radiales hacia afuera.

Para una carga puntual negativa, las líneas son radiales hacia adentro.

q

Figura 1.16 Líneas de campo eléctrico para una carga puntual.

Observe que las figuras sólo muestran aquellas líneas que están en el plano de la página.

PREVENCIÓN DE RIESGOS OCULTOS 1.3 Las líneas de campo eléctrico no son reales Las líneas de campo eléctrico no son objetos materiales.

Son una representación gráfica para tener una descripción cualitativa del campo eléctrico. Puesto que sólo se puede dibujar un número finito de líneas que parten de cada carga, parecería que el campo fuera cuantizado y que sólo existe en ciertas partes del espacio.

De hecho el campo es continuo existiendo en todos los puntos.

Debe evitar obtener una impresión equivocada de líneas de campo que parten de un dibujo bidimensional cuya finalidad sólo es describir una situación tridimensional.

a

Figura 1.17

a) Líneas de campo eléctrico para dos cargas puntuales de igual magnitud y de signo opuesto (un dipolo eléctrico)

b

En la figura 1.16a se muestran las líneas de campo eléctrico causadas por el campo creado por una sola carga puntual positiva. Este dibujo en dos dimensiones sólo muestra las líneas de campo que están en el plano que contiene a la carga puntual.

De hecho, las líneas están dirigidas radialmente alejándose de la carga en todas las direcciones; por tanto, en lugar de una “rueda” plana de líneas, como la que se muestra, es necesario imaginar toda una distribución esférica de líneas. Si se colocara una carga de prueba positiva en este campo sería repelida por la carga fuente positiva, las líneas se alejarían radialmente de la carga fuente. Las líneas de campo eléctrico que representan al campo generado por una sola carga puntual negativa están dirigidas hacia la carga (figura 1.16b). En ambos casos las líneas siguen una dirección radial y se extienden hasta el infinito. Observe que las líneas se acercan entre sí conforme se aproximan a la carga; ello indica que la fuerza del campo se incrementa conforme se acercan hacia la carga fuente.

Las reglas para dibujar las líneas de un campo eléctrico son las siguientes: ●

●

●

El número de líneas que salen de la carga positiva es igual al número que termina en la carga negativa.

–q

Las líneas deben empezar en una carga positiva y terminar en una carga negativa. En caso de que haya un exceso en cualquier carga, algunas líneas empezarán o terminarán en el infinito.

El número de líneas dibujadas que salen de una carga positiva o se acercan a una carga negativa será proporcional a la magnitud de dicha carga.

Dos líneas de campo no se pueden cruzar.

Elegimos el número de líneas de campo partiendo de cualquier objeto con carga positiva q+ y C|q−| el número de líneas de campo que terminan en cualquier objeto con carga negativa q−, donde C es una constante de proporcionalidad arbitraria. Una vez seleccionada C, queda fijo el número de líneas. Por ejemplo, en un sistema de dos cargas, si el objeto 1 tiene una carga Q 1 y el objeto 2 tiene una carga Q 2, la razón del número de líneas en contacto con las cargas es N 2/N1 = |Q 2/Q 1|. Las líneas de campo eléctrico para dos cargas puntuales de igual magnitud pero de signos opuestos (un dipolo eléctrico) se muestran en la figura 1.17. Ya que las cargas son de igual magnitud, el número de líneas que empiezan en la carga positiva debe ser igual al número que termina en la carga negativa. En lugares muy cercanos a las cargas, las líneas son prácticamente radiales como en el caso de una carga aislada. La elevada densidad de líneas entre las cargas indica una región con un campo eléctrico intenso.

La figura 1.18 muestra las líneas de campo eléctrico alrededor de dos cargas puntuales positivas iguales. De nuevo, las líneas son prácticamente radiales en puntos cercanos a cada carga, y el mismo número de líneas emerge de cada carga pues son de igual magnitud. Debido a que no hay cargas negativas disponibles, las líneas de campo eléctrico se alejan infinitamente. A una distancia considerable de las cargas, el campo es casi igual al de una sola carga puntual de magnitud 2q.

1.6 Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico uniforme

19

Dos líneas salen de 12q por cada una que termina en 2q.

B

A C

2q

Figura 1.18

Líneas de campo eléctrico para dos cargas puntuales positivas. (Las ubicaciones A, B y C han sido analizadas en el Examen rápido 1.5.)

q

Figura 1.19 Líneas de campo eléctrico para una carga puntual +2q y una segunda carga puntual −q.

Por último, en la figura 1.19 aparece el esbozo de las líneas de campo eléctrico asociadas con una carga positiva +2q y una carga negativa −q. En este caso, el número de líneas que salen de +2q es el doble de las que terminan en −q. En consecuencia, sólo la mitad de las líneas que abandonan la carga positiva llega a la carga negativa. La mitad restante termina en una carga negativa que se supone está en el infinito. Para distancias mucho mayores a la separación entre cargas, las líneas de campo eléctrico son equivalentes a las de una carga +q única.

E XAMEN RÁPIDO 1.5 Clasifique las magnitudes del campo eléctrico en los puntos A, B y C de la figura 1.18 (empiece por la magnitud mayor).

1.6 Movimiento de partículas cargadas en un campo

eléctrico uniforme

S

Cuando una partícula con carga q y masa m se coloca en un campo eléctrico E , la S fuerza eléctrica ejercida sobre la carga es q E , de acuerdo con la ecuación 1.8 en la partícula en un modelo de campo. Si esta es la única fuerza ejercida sobre la partícula, es muy posible que se trate de la fuerza neta, la cual provoca que la partícula se acelere de acuerdo con el modelo de partícula bajo una fuerza neta. Por tanto,

o F 5 qE 5 mSa S

S

y la aceleración de la partícula es, S

qE a5 m

S S

(1.11)

Si E es uniforme (esto es, constante en magnitud y dirección) y la partícula se mueve libremente, la fuerza eléctrica sobre la partícula es constante y se puede aplicar el modelo de partícula bajo aceleración constante. Por tanto, la partícula en esta situación se describe bajo tres análisis de modelos: partícula en un campo, partícula bajo una fuerza neta y las partículas ¡en aceleración constante! Si la partícula tiene carga positiva, su aceleración está en dirección del campo eléctrico. Si la partícula tiene carga negativa, su aceleración será en dirección opuesta al campo eléctrico.

PREVENCIÓN DE RIESGOS OCULTOS 1.4 Sólo se trata de otra fuerza Las fuerzas y los campos eléctricos podrán parecerle conceptos abstractos. Sin embargo, una vez S que se evalúa F e , es lo que provoca que una partícula se mueva, de acuerdo con los modelos de fuerzas y movimiento establecido.

Teniendo esto presente podrá resolver los problemas de este capítulo.

20

Capítulo 1

Campos eléctricos

Ejemplo 1.7 Aceleración de una carga positiva: dos modelos

S

E

S

Un campo eléctrico uniforme E se dirige a lo largo del eje x entre placas paralelas de carga separadas una distancia d, como se muestra en la figura 1.20. Una carga puntual positiva q de masa m se libera desde el reposo en un punto Ⓐ junto a la placa positiva y acelera a un punto Ⓑ junto a la placa negativa.

S

v

(A) Encuentre la rapidez de la partícula en Ⓑ al modelarla como una partícula bajo aceleración constante.

S

v

0

q

SOLUCIÓN

Conceptualizar Cuando la carga positiva se coloca en Ⓐ, experimenta una fuerza eléctrica hacia la derecha en la figura 1.20 debido al campo eléctrico dirigido hacia la derecha. Como resultado, se acelerará a la derecha y llegará a B con alguna rapidez.

Categorizar Ya que el campo eléctrico es uniforme, una fuerza eléctrica constante actúa sobre la carga. Por tanto, como se sugirió en el análisis precedente al ejemplo y al enunciado del problema, la carga puntual puede ser modelada como una partícula cargada bajo aceleración constante.

Analizar Exprese la velocidad de la partícula como función de la posición: Resuelva para vf y sustituya para la magnitud de la aceleración a partir de la ecuación 1.11:

Figura 1.20

(Ejemplo 1.7) Una carga puntual positiva q enSun campo eléctrico uniforme E experimenta aceleración constante en la dirección del campo.

d

vf 2 5 vi2 1 2a(x f 2 xi ) 5 0 1 2a(d 2 0) 5 2ad vf 5 Ï2ad 5

ÎS D Î 2

qE m

d5

2qEd m

(B) Encuentre la rapidez de la partícula en Ⓑ al modelarla como un sistema no aislado en términos de energía.

SOLUCIÓN

Categorizar El enunciado del problema dice que la carga es un sistema no aislado para la energía. La fuerza eléctrica, como cualquier otra, puede realizar trabajo sobre el sistema. A esta carga se le transfiere energía mediante el trabajo realizado por la fuerza eléctrica que se ejerce sobre la carga. La configuración inicial del sistema es cuando la partícula está en reposo en Ⓐ y la configuración final es cuando está moviéndose con alguna rapidez en Ⓑ.

Analizar Escriba la reducción adecuada de la ecuación de conservación de energía, para el sistema de la partícula cargada:

W 5 DK

Sustituya el trabajo y las energías cinéticas con los valores adecuados para esta situación:

Fe Dx 5 KⒷ 2 KⒶ 5 12m vf 2 2 0 S vf 5

Sustituya para la magnitud de la fuerza eléctrica F v del modelo de partícula en un campo y el desplazamiento Dx:

vf 5

Î

2sqEdsdd m

5

Î

Î

2Fe Dx m

2qEd m

Finalizar La respuesta a la parte (B) es la misma que la de la parte (A), como se esperaba. Este problema puede ser resuelto con diferentes enfoques. Vimos las mismas posibilidades con problemas mecánicos.

Ejemplo 1.8 Un electrón acelerado Un electrón entra a la región de un campo eléctrico uniforme, como se muestra en la figura 1.21, con vi = 3.00 × 106 m/s y E = 200 N/C. La longitud horizontal de las placas es , = 0.100 m.

(A) Encuentre la aceleración del electrón mientras está en el campo eléctrico.

21

1.6 Movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico uniforme 1.8 c o n t i n u a c i ó n

El electrón experimenta una aceleración S hacia abajo (opuesta a E ) y su movimiento es parabólico mientras está entre las placas.

SOLUCIÓN

Conceptualizar Este ejemplo difiere del precedente porque la velocidad de la partícula cargada es inicialmente perpendicular a las líneas de campo eléctrico. En el ejemplo 1.7, la velocidad de la partícula con carga siempre es paralela a las líneas de campo eléctrico. Como resultado, el electrón en este ejemplo sigue una trayectoria curva, como se muestra en la figura 1.21. El movimiento del electrón es el mismo que la de una partícula masiva proyectada horizontalmente en un campo gravitacional cerca de la superficie de la Tierra.

vi î

y (0, 0)

Categorizar El electrón es una partícula en un campo (eléctrico). Dado que el campo eléctrico es uniforme, se ejerce una fuerza eléctrica constante sobre el electrón. Para encontrar la aceleración del electrón, se le modela como una partícula bajo una fuerza neta.

x

(x, y)

S

E

S

v

Figura 1.21 (Ejemplo 1.8) Un electrón se proyecta horizontalmente en un campo eléctrico uniforme producido por dos placas cargadas.

Analizar A partir del modelo de partícula en un campo, sabemos que la dirección de la fuerza eléctrica sobre el electrón es hacia abajo en la figura 1.21, opuesta a la dirección de las líneas de campo eléctrico. Por tanto, del modelo de partícula bajo una fuerza neta, la aceleración del electrón es hacia abajo.

La partícula bajo un modelo de fuerza neta que se utilizó para desarrollar la ecuación 1.11 en el caso en el que la fuerza eléctrica sobre una partícula es la única fuerza. Use esta ecuación para encontrar la componente y de la aceleración del electrón:

ay 5 2

eE me

Sustituya valores numéricos:

ay 5 2

s1.60 3 10219 Cds200 NyCd 5 23.51 3 1013 m/s2 9.11 3 10231 kg

(B) Si supone que el electrón entra al campo en el tiempo t = 0, encuentre el tiempo cuando abandona el campo.

SOLUCIÓN

Categorizar Como la fuerza eléctrica sólo actúa en la dirección vertical en la figura 1.21, el movimiento de la partícula en la dirección horizontal se puede analizar si la modela como una partícula bajo velocidad constante.

Analizar Resuelva la ecuación para el tiempo en el que el electrón llega a los bordes derechos de las placas:

xf 5 xi 1 v x t S t 5

Sustituya valores numéricos:

t5

xf 2 xi vx

/20 0.100 m 5 3.33 3 1028 s 5 vx 3.00 3 106 mys

(C) Si supone que la posición vertical del electrón cuando entra al campo es yi = 0, ¿cuál es la posición vertical cuando abandona el campo?

SOLUCIÓN

Categorizar Ya que la fuerza eléctrica es constante en la figura 1.21, el movimiento de la partícula en la dirección vertical se analiza al modelarla como una partícula bajo aceleración constante.

Analizar Describa la posición de la partícula en cualquier tiempo t:

yf 5 yi 1 vyi t 1 12 a yt 2

Sustituya valores numéricos:

yf 5 0 1 0 1 12 s23.51 3 1013 mys2ds3.33 3 1028 sd2 5 20.019 5 m 5 21.95 cm

Finalizar Si el electrón entra justo abajo de la placa negativa en la figura 1.21, y la separación entre las placas es menor que el valor recién calculado, el electrón golpeará la placa positiva.

Observe que hemos utilizado cuatro análisis de modelos para describir al electrón en varias partes de este problema. Hemos ignorado la fuerza gravitacional que actúa sobre el electrón, lo que representa una buena aproximación cuando se trata con partículas atómicas. Para un campo eléctrico de 200 N/C, la razón de la magnitud de la fuerza eléctrica eE a la magnitud de la fuerza gravitacional mg es del orden de 1012 para un electrón y del orden de 109 para un protón.

22

Capítulo 1

Campos eléctricos

Resumen › Definiciones S

S

El campo eléctrico E en algún punto del espacio se define como la fuerza eléctrica F e que actúa sobre una pequeña carga de prueba positiva colocada en dicho punto, dividida entre la magnitud q 0 de la carga de prueba: S

E ;

›

S

Fe

(1.7)

q0

Conceptos y principios

Las cargas eléctricas tienen las siguientes importantes propiedades: •

argas de signos opuestos se atraen, y cargas del mismo signo se repelen.

• La carga total en un sistema aislado se conserva.

• La carga está cuantizada.

Los conductores son materiales donde los electrones se mueven libremente.

Los aisladores son materiales donde los electrones no se mueven con libertad.

La ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica que ejerce una carga puntual q 1 sobre una segunda carga puntual q 2 es q 1q 2 S (1.6) F 12 5 k e 2 r⁄12 r

A una distancia r de una carga puntual q, el campo eléctrico generado por la carga es q S (1.9) E 5 k e 2 r⁄ r ⁄ donde r es un vector unitario dirigido desde la carga hacia el punto en cuestión. El campo eléctrico se dirige radialmente hacia afuera desde una carga positiva y radialmente hacia adentro hacia una carga negativa.

El campo eléctrico generado por un grupo de cargas puntuales se puede calcular usando el principio de superposición.

Esto es el campo eléctrico total en algún punto es igual a la suma vectorial de los campos eléctricos de todas las cargas: S

E 5 ke

qi

or i

i

2

⁄

(1.10)

ri

⁄ donde r es la distancia entre las dos cargas y r 12 es un vector unitario dirigido de q 1 hacia q 2. La constante ke , que se llama constante de Coulomb, tiene el valor ke = 8.99 × 109 N ∙ m2/ C 2.

›

Análisis de modelos para la resolución de problemas

Partícula en un campo (eléctrico) Una partícula fuente con alguna carga eléctrica establece un campo elécS trico E a través del espacio. Cuando se coloca una partícula con carga q en ese campo, experimenta una fuerza eléctrica dada por S

S

F e 5 qE

(1.8)

S

E

q

S

Fe

S

qE

Piense, dialogue y comparta Consulte el Prefacio para obtener una explicación de los iconos utilizados en este conjunto de problemas.

1. Usted y sus compañeros forman un grupo de practicantes en una compañía de nanotecnología. La empresa tiene problemas para fabricar nanopartículas de masa uniforme y se le ha pedido a su grupo que diseñe un sistema que determine la masa de una nanopartícula cargada haciéndola pasar a través de un campo eléctrico uniforme entre placas paralelas de manera idéntica a la del electrón en la figura 1.21. Todo

el sistema está ubicado en una cámara de vidrio vacía, por lo que la resistencia del aire no es un factor. La masa puede ser determinada por la cantidad de desviación de la nanopartícula a medida que atraviesa el campo después de haber sido proyectada en el campo justo debajo del borde izquierdo de la placa superior con una velocidad inicial en una dirección paralela a las placas. Su grupo trabaja bien juntos y diseña un par de placas paralelas de longitud, , = 1.00 m, con la placa negativa situada a una distancia d = 8.00 mm verticalmente por encima de la placa positiva, con un campo eléc-

Problemas

(j) Se frota un globo de goma en su cabello. (k) De las diez opciones (a)−(j), ¿cuál cree que representa la mayor transferencia de carga?

trico uniforme de magnitud E = 2.00 × 104 N/C entre ellos dirigidos perpendicularmente a las placas. Usted dispone que las nanopartículas con una masa m = 6.50 × 10−13 g, con una carga de −e, se proyecten en el campo a una rapidez de v = 30.0 m/s. Su fecha límite se acerca a medida que termina la construcción del dispositivo y no tiene tiempo para probarlo antes de que lo llamen para mostrar el dispositivo a los líderes del grupo de investigación. Cuando demuestra el dispositivo, ¿por qué su grupo está desconcertado?

2.

23

Positivo Aire Piel (seca) Cuero Piel de conejo Vidrio Cabello humano Mica Nailon Lana Piel de gato Plomo Seda Aluminio Papel Algodón Acero Madera Lucita Ámbar Globo de goma Caucho duro Níquel Cobre Plata Oro, platino Poliéster Poliestireno Acrílico Envoltura de alimentos de plástico Poliuretano Polietileno Polipropileno PVC Teflón Hule o caucho Negativo de silicón

ACTIVIDAD La figura TP1.2 muestra la serie triboeléctrica. Se usa con respecto a los experimentos de frotamiento descritos en la sección 1.1. Si un material de la parte superior de la lista se frota contra un material de una parte inferior, cada material se cargará eléctricamente de acuerdo con los signos arriba y abajo de la lista. Mientras más alejados estén dos materiales en la lista, mayor será la cantidad de carga eléctrica cuando se froten entre sí. Como ejemplo, considere la varilla de vidrio frotada con seda en la figura 1.3. Con base en la serie triboeléctrica que se muestra, ¿esperamos que la seda se cargue negativamente y el vidrio se carguen positivamente? Aunque ambos están en el lado positivo de la serie, el vidrio está mucho más arriba, por lo que toma una carga positiva y la seda se carga negativamente.

Para los objetos frotados debajo, identifique el signo de la carga en la varilla, tubería, tenedor o globo después de frotarlo con el otro material:

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Se frota una varilla de vidrio con un paño de lana.

Se frota una varilla de vidrio con pelo de gato.

Se frota un tubo de PVC con una toalla de papel.

Se frota un tenedor de plata con un paño de nailon.

Se frota una varilla de silicón con un paño de algodón.

Se frota una varilla de hule o caucho rígido con una toalla de papel. (g) Se frota un tubo de cobre con pelo de gato. (h) Se frota una varilla de aluminio con una camisa de poliéster. (i) Se frota un tubo de plomo con una toalla de papel.

Figura TP1.2

Problemas Consulte el Prefacio para obtener una explicación de los iconos utilizados en este conjunto de problemas.

SECCIÓN 1.1 Propiedades de las cargas eléctricas 1. Determine con una precisión de tres dígitos significativos la carga y la masa de las siguientes partículas. Sugerencia: primero busque la masa de un átomo neutro en la tabla periódica de los elementos en el apéndice C. (a) Un átomo de hidrógeno ionizado, representado como H+ (b) un átomo de sodio ionizado Na+ (c) un ion de cloro Cl− (d) un átomo de calcio doblemente ionizado Ca++= Ca2+ (e) el centro de una molécula de amoniaco modelada como un ion N3− (f) átomos de nitrógeno ionizados al cuádruplo, N4+ encontrados en el plasma de una estrella caliente (g) el núcleo del átomo de nitrógeno (h) el ion molecular H2O−.

SECCIÓN 1.3 Ley de Coulomb 2. (a) Calcule la magnitud de la fuerza eléctrica entre un ion Na+ y uno de Cl− separados por 0.50 nm. (b) ¿La respuesta

C|C

cambia si el ion de sodio fuera remplazado por Li+ y el ion cloruro por Br−? Explique.

3. En una nube de tormenta, puede haber cargas eléctricas de +40.0 C cerca de la parte superior y −40.0 C cerca de la parte inferior de la nube. Estas cargas están separadas por 2.00 kilómetros. ¿Cuál es la fuerza eléctrica sobre la carga de la parte superior?

4. El premio Nobel, Richard Feynman (1918-1988), dijo en alguna ocasión que si dos personas se colocaban a la distancia de sus brazos una de la otra y cada una de ellas tuviera 1% más electrones que protones, la fuerza de repulsión entre ambos sería suficiente para levantar un “peso” equivalente al de toda la Tierra. Efectúe un cálculo de magnitudes para sustentar esta afirmación.

5. Una carga puntual 7.50 nC se encuentra a 1.80 m de una carga puntual de 4.20 nC. (a) Calcule la magnitud de la fuerza eléctrica que una partícula ejerce sobre la otra. (b) ¿La fuerza es atractiva o repulsiva?

C|C

Esta décima edición de Física. Electricidad y magnetismo conserva los objetivos principales de las ediciones anteriores: presentar de manera clara y lógica los conceptos básicos y principios de electricidad y magnetismo; fortalecer la comprensión de esos temas mediante aplicaciones al mundo real y desarrollar habilidades para la resolución de problemas. Estos objetivos se logran a través de la presentación de ejemplos prácticos que muestran el papel de la física en otras disciplinas como ingenierías, química y medicina.

Algunas características de esta nueva edición son: • Nuevos problemas ricos en contexto de evaluación que relacionan los problemas con el mundo real.

• Nuevos problemas y actividades de trabajo colaborativo que promueven la discusión grupal y la toma de decisiones.

• Reorganización de capítulos.

• Nueva sección Imagine como introducción a cada capítulo en la que se analizan fenómenos de la vida cotidiana.

• Nuevas conexiones de apertura de capítulos en las que se conectan los contenidos aprendidos en capítulos anteriores.

Al igual que en ediciones anteriores, esta obra continúa presentando ejemplos que refuerzan los conceptos aprendidos con base en el enfoque del modelo de análisis para la resolución de problemas. Este enfoque establece un conjunto estándar de situaciones que aparecen en la mayoría de los problemas de la física.

ISBN-13: 978-607-526-789-0 ISBN-10: 607-526-789-1

9 786075 267890